Το Graphene έχει τριβή





Απροσδόκητη εξαρτώμενη από την ταχύτητα τριβή στο γραφένιο

Περίληψη

Σε αυτή τη μελέτη, η συμπεριφορά τριβής των άκρων βημάτων παχύ-στρώματος πάχους γραβάτα με μονο-στρώσεις ερευνήθηκε χρησιμοποιώντας μικροσκοπία ατομικής δύναμης (AFM). Διαπιστώθηκε ότι όταν η άκρη ολισθαίνει πάνω από ένα θαμμένο άκρο βήματος Graphene, υπάρχει μια δύναμη αντίστασης κατά τη διάρκεια της κίνησης βήμα και μια βοηθητική δύναμη κατά τη διάρκεια της κίνησης βήμα προς τα κάτω. Αυτές οι δυνάμεις αποδίδονται στις αλλαγές τοπογραφικού ύψους. Η τριβή σε εκτεθειμένες άκρες βημάτων Graphene αυξάνεται σε μέγεθος και παρουσιάζει πιο σύνθετες συμπεριφορές. Οι χημικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ λειτουργικών ομάδων στην άκρη και οι επιφάνειες βημάτων συμβάλλουν στη δύναμη αντίστασης, ενώ η βοηθητική δύναμη είναι αποτέλεσμα τοπογραφικών επιδράσεων. Η μέτρηση υψηλής ανάλυσης των συμπεριφορών τριβής στις άκρες βήμα Graphene ενισχύει την κατανόηση της διεπιφανειακής τριβής σε επιφάνειες που καλύπτονται από γραφένιο.

Βασικά σημεία

1. Η τριβή σε θαμμένες άκρες βήμα Graphene εκθέτει αντίσταση και βοηθητικές δυνάμεις κατά τη διάρκεια των κινήσεων Step-up και step-down.

2. Η έκθεση των άκρων βημάτων Graphene αυξάνει το μέγεθος της τριβής και οδηγεί σε πιο πολύπλοκες συμπεριφορές τριβής.

3. Οι χημικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των επιφανειών άκρων και βημάτων συμβάλλουν στη δύναμη αντίστασης σε εκτεθειμένες άκρες βήματος.

4. Η βοηθητική δύναμη στις εκτεθειμένες άκρες βημάτων αποδίδεται σε τοπογραφικές επιδράσεις.

5. Μια αμβλύ άκρη ενισχύει τα ξεχωριστά αποτελέσματα των αντιστάσεων και των βοηθητικών δυνάμεων στις άκρες του Graphene Step.

6. Στην κατεύθυνση σάρωσης βήμα, η αμβλύ άκρη εμφανίζει τόσο τοπογραφικά αποτελέσματα όσο και κλίση.

7. Μέτρηση υψηλής ανάλυσης των συμπεριφορών τριβής σε άκρες βήμα Graphene εμπλουτίζει την κατανόηση της διεπιφανειακής τριβής σε επιφάνειες που καλύπτονται από γραφένιο.

Ερωτήσεις και απαντήσεις

  1. Ε: Ποιες είναι οι συμπεριφορές τριβής που παρατηρήθηκαν στις θαμμένες άκρες βήμα Graphene?

    ΕΝΑ: Σε θαμμένα άκρα βήματος Graphene, ανθεκτικές και βοηθητικές δυνάμεις ανιχνεύονται κατά τη διάρκεια των κινήσεων βήμα προς τα πάνω και βήμα προς τα κάτω, αντίστοιχα. Αυτές οι δυνάμεις προκύπτουν από αλλαγές τοπογραφικού ύψους.
  2. Ε: Τι συμβαίνει με την τριβή σε εκτεθειμένες άκρες βήμα Graphene?

    ΕΝΑ: Η τριβή σε εκτεθειμένες άκρες βημάτων Graphene αυξάνεται σε μέγεθος και παρουσιάζει πιο σύνθετες συμπεριφορές σε σύγκριση με τα θαμμένα βήματα των άκρων.
  3. Ε: Τι προκαλεί το στοιχείο αντίστασης σε εκτεθειμένες άκρες βήματος?

    ΕΝΑ: Το συστατικό αντίστασης σε εκτεθειμένες άκρες βήματος αποδίδεται σε χημικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των λειτουργικών ομάδων στις επιφάνειες του άκρου και του βήματος.
  4. Ε: Ποιος είναι ο λόγος για το βοηθητικό στοιχείο στις εκτεθειμένες άκρες βήματος?

    ΕΝΑ: Το βοηθητικό στοιχείο στις εκτεθειμένες άκρες βήμα οφείλεται σε τοπογραφικά αποτελέσματα, παρόμοια με την περίπτωση των θαμμένων άκρων βημάτων.
  5. Ε: Πώς επηρεάζει μια αμβλύ άκρη τη συμπεριφορά τριβής στις άκρες του Graphene?

    ΕΝΑ: Μια αμβλύ άκρη ενισχύει τα ξεχωριστά αποτελέσματα των αντιστάσεων και των βοηθητικών δυνάμεων στις άκρες του Graphene Step.
  6. Ε: Ποιες είναι οι διαφορετικές τοπογραφικές επιδράσεις που εμφανίζονται από μια αμβλύ άκρη στην κατεύθυνση σάρωσης?

    ΕΝΑ: Στην κατεύθυνση σάρωσης βήμα, μια αμβλύ άκρη καταδεικνύει δύο ξεχωριστά τοπογραφικά αποτελέσματα: ελαστική παραμόρφωση της περιοχής επαφής στο κάτω μέρος του άκρου λόγω αλλαγής ύψους υποστρώματος και η κλίση της άκρης καθώς η κατακόρυφη θέση του προβόλου ανεβαίνει από την κάτω βεράντα στην άνω βεράντα.
  7. Ε: Πώς η μέτρηση υψηλής ανάλυσης των συμπεριφορών τριβής στις άκρες των βημάτων Graphene συμβάλλει στην κατανόηση της διεπιφανειακής τριβής?

    ΕΝΑ: Η μέτρηση υψηλής ανάλυσης των συμπεριφορών τριβής σε άκρες βήμα Graphene παρέχει πολύτιμες γνώσεις για τη διεπιφανειακή τριβή σε επιφάνειες που καλύπτονται από γραφένιο.

βιβλιογραφικές αναφορές

  1. Berman D, Erdemir Α, Sumant A V. Graphene: Ένα νέο αναδυόμενο λιπαντικό. Mater σήμερα 17 (1): 31-42 (2014) Google Scholar
  2. Penkov O, Kim H J, Kim H J, Kim D E. Tribology of Graphene: Μια κριτική. Int J Precis Eng Manuf 15 (3): 577-585 (2014) Google Scholar
  3. Kim K S, Lee H J, Lee C, Lee S Κ, Jang Η, Ahn J H, Kim J H, Lee H J. Χημικό κενό από εναπόθεση ατμών: το λεπτότερο στερεό λιπαντικό. ACS Nano 5 (6): 5107-5114 (2011) Google Scholar
  4. Berman D, Erdemir Α, Sumant A V. Μειωμένη φθορά και τριβή που ενεργοποιήθηκε από στρώματα γραφένιου σε συρόμενες επιφάνειες χάλυβα σε ξηρό άζωτο. Carbon 59: 167-175 (2013) Google Scholar
  5. Berman D, Erdemir Α, Sumant A V. Graphene ως προστατευτική επίστρωση και ανώτερο λιπαντικό για ηλεκτρικές επαφές. Appl Phys Lett 105 (23): 231907 (2014) Google Scholar
  6. Wu P, Li X M, Zhang C H, Chen X C, Lin S Y, Sun H Y, Lin C T, Zhu H W, Luo J Β. Αυτοσυναρμολογημένη μεμβράνη γραφένι. ACS Appl Mater Interfaces 9 (25): 21554-21562 (2017) Google Scholar
  7. Berman D, Deshmukh S A, Sankaranarayan SK R S, Erdemir Α, Sumant A V. Macroscale superlubricity ενεργοποιημένη από τον σχηματισμό νανοσκόλλης graphene. Science 348 (6239): 1118-1122 (2015) Google Scholar
  8. Liu S W, Wang H P, Xu Q, Ma T B, Yu G, Zhang C H, Geng D C, Yu Z W, Zhang S G, Wang W Z, et αϊ. Υψηλή Superlubricity Microscale υπό υψηλή πίεση επαφής που ενεργοποιείται από επικαλυμμένη με γραφένιο μικροσφαίρα. Nat Common 8: 14029 (2017) Google Scholar
  9. Fileter Τ, McChesney J L, Bostwick Α, Rotenberg Ε, Emtsev Κ V, Seyller Τ, Horn Κ, Bennewitz R. Τριβή και διαρροή σε επιταξιακές ταινίες γραφένιου. Phys Rev Lett 102 (8): 086102 (2009) Google Scholar
  10. Φιλιέτης Τ, Bennewitz R. Δομικές και τριβές ιδιότητες των φιλμ γραφένιου σε SIC (0001) που μελετήθηκαν με μικροσκοπία ατομικής δύναμης. Phys Rev B 81 (15): 155412 (2010) Google Scholar
  11. Lee C, Li Q Y, Kalb W, Liu X Z, Berger Η, Carpick R W, Hone J. Χαρακτηριστικά τριβής των ατομικά λεπτών φύλλων. Science 328 (5974): 76-80 (2010) Google Scholar
  12. Lee H, Lee Ν, Seo Y, Eom J, Lee S. Σύγκριση των δυνάμεων τριβής σε γραφένιο και γραφίτη. Νανοτεχνολογία 20 (32): 325701 (2009) Google Scholar
  13. Lee C, Wei X D, Li Q Y, Carpick R, Kysar J W, Hone J. Ελαστικές και τριβές ιδιότητες του graphene. Phys Status Solidi B 246 (11-12): 2562-2567 (2009) Google Scholar
  14. Li Q Y, Lee C, Carpick R W, Hone J. Επίδραση υποστρώματος στην εξαρτώμενη από πάχος τριβή στο γραφένιο. Physi Status Solidi B 247 (112-12): 2909-2914 (2010) Google Scholar
  15. Cho D H, Wang L, Kim J S, Lee G H, Kim E S, Lee S, Lee S Y, Hone J, Lee C. Επίδραση της μορφολογίας της επιφάνειας στην τριβή του γραφένιου σε διάφορα υποστρώματα. Nanoscale 5 (7): 3063-3069 (2013) Google Scholar
  16. Paolicelli G, Tripathi Μ, Corradini V, Candini Α, Valeri S. Συμπεριφορά τριβής νανοκλίμακας του graphene στο SIO2 και Ni (111) υποστρώματα. Nanotechnology 26 (5): 055703 (2015) Google Scholar
  17. Chen Z, Khajeh Α, Martini Α, Kim S H. Χημική και φυσική προέλευση της τριβής σε επιφάνειες με ατομικά βήματα. Sci Adv 5 (8): EAAW0513 (2019) Google Scholar


Απροσδόκητη εξαρτώμενη από την ταχύτητα τριβή στο γραφένιο

Zhe Chen. Δρ. Ο Τσεν κέρδισε το Β του.μικρό. πτυχίο Μηχανολόγων Μηχανικών από το Northwestern Polytechnical University και το PH.ρε. πτυχίο Μηχανολόγων Μηχανικών από το Πανεπιστήμιο Tsinghua στην Κίνα. Είναι τώρα μεταδιδακτορικός ερευνητής. Τα ερευνητικά του ενδιαφέροντα είναι διεπιφανειακές ολισθαίνουσες ιδιότητες και εφαρμογές δισδιάστατων στρωματοποιημένων υλικών ως στερεά λιπαντικά και πρόσθετα λιπαντικών.

Μέτρηση της τριβής νανοκλίμακας σε άκρα βήμα Graphene

Παρόλο που το graphene είναι γνωστό για την υπερ-λυγισμό στο βασικό του επίπεδο, η τριβή στο βήμα του δεν είναι καλά κατανοητή και έχουν αναφερθεί αντιφατικές συμπεριφορές τριβής. Σε αυτή τη μελέτη, μελετήθηκε η τριβή των άκρων βημάτων παχύ-στρώματος με πάχους γραβάτας χρησιμοποιώντας μικροσκοπία ατομικής δύναμης (AFM) με άκρη SI στην ατμόσφαιρα ξηρού αζώτου. Διαπιστώνεται ότι, όταν η άκρη ολισθαίνει πάνω από ένα ‘θαμμένος’ Graphene Step Edge, υπάρχει μια δύναμη αντίστασης κατά τη διάρκεια της κίνησης Step-up και μια βοηθητική δύναμη κατά τη διάρκεια της κίνησης βήμα προς τα κάτω λόγω της τοπογραφικής αλλαγής ύψους. Το μέγεθος αυτών των δύο δυνάμεων είναι μικρό και το ίδιο τόσο σε κινήσεις βήμα προς τα κάτω όσο και σε βήμα προς τα κάτω. Οσον αφορα στο ‘εκτεθειμένος’ άκρη βήματος Graphene, η τριβή αυξάνεται σε μέγεθος και παρουσιάζει πιο περίπλοκες συμπεριφορές. Κατά τη διάρκεια της βήμα προς τα κάτω της άκρης πάνω από την εκτεθειμένη άκρη του βήματος, μπορούν να ανιχνευθούν τόσο τα αντιστατικά όσο και τα βοηθητικά συστατικά στο σήμα της πλευρικής δύναμης του AFM εάν η ανάλυση σάρωσης είναι αρκετά υψηλή. Το συστατικό αντίστασης αποδίδεται στις χημικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των λειτουργικών ομάδων στην άκρη και τις επιφάνειες βημάτων και το βοηθητικό συστατικό οφείλεται στο τοπογραφικό αποτέλεσμα, όπως και η περίπτωση του θαμμένου άκρου. Εάν χρησιμοποιηθεί μια αμβλύ άκρη, τα ξεχωριστά αποτελέσματα αυτών των δύο συστατικών γίνονται πιο εμφανή. Στην κατεύθυνση σάρωσης βήμα, η αμβλύ άκρη φαίνεται να έχει δύο ξεχωριστές τοπογραφικές επιδράσεις ελαστική παραμόρφωση της περιοχής επαφής στο κάτω μέρος του άκρου λόγω της αλλαγής ύψους του υποστρώματος στην άκρη του βήματος και της κλίσεως της άκρης ενώ η κατακόρυφη θέση του προβόλου (τέλος της άκρης) ανεβαίνει από την κατώτερη βεράντα στην επάνω βεράντα. Η μέτρηση υψηλής ανάλυσης των συμπεριφορών τριβής σε άκρες βήμα Graphene θα εμπλουτίσει περαιτέρω την κατανόηση των συμπεριφορών διεπιφανειακής τριβής σε επιφάνειες που καλύπτονται από γραφένιο.

Λήψη για να διαβάσετε το πλήρες κείμενο του άρθρου

Εργασία σε ένα χειρόγραφο?

βιβλιογραφικές αναφορές

  1. Berman D, Erdemir Α, Sumant A V. Graphene: Ένα νέο αναδυόμενο λιπαντικό. Mater σήμερα17(1): 31-42 (2014) Google Scholar
  2. Penkov O, Kim H J, Kim H J, Kim D E. Tribology of Graphene: Μια κριτική. Int j precis eng manuf15(3): 577-585 (2014) Google Scholar
  3. Kim K S, Lee H J, Lee C, Lee S Κ, Jang Η, Ahn J H, Kim J H, Lee H J. Χημικό κενό από εναπόθεση ατμών: το λεπτότερο στερεό λιπαντικό. ACS Nano5(6): 5107-5114 (2011) Google Scholar
  4. Berman D, Erdemir Α, Sumant A V. Μειωμένη φθορά και τριβή που ενεργοποιήθηκε από στρώματα γραφένιου σε συρόμενες επιφάνειες χάλυβα σε ξηρό άζωτο. Ανθρακας59: 167-175 (2013) Google Scholar
  5. Berman D, Erdemir Α, Sumant A V. Graphene ως προστατευτική επίστρωση και ανώτερο λιπαντικό για ηλεκτρικές επαφές. Appl Phys Lett105(23): 231907 (2014) Google Scholar
  6. Wu P, Li X M, Zhang C H, Chen X C, Lin S Y, Sun H Y, Lin C T, Zhu H W, Luo J Β. Αυτοσυναρμολογημένη μεμβράνη γραφένι. Διεπαφές ACS Appl Mater9(25): 21554-21562 (2017) Google Scholar
  7. Berman D, Deshmukh S A, Sankaranarayan SK R S, Erdemir Α, Sumant A V. Macroscale superlubricity ενεργοποιημένη από τον σχηματισμό νανοσκόλλης graphene. Επιστήμη348(6239): 1118-1122 (2015) Google Scholar
  8. Liu S W, Wang H P, Xu Q, Ma T B, Yu G, Zhang C H, Geng D C, Yu Z W, Zhang S G, Wang W Z, et αϊ. Υψηλή Superlubricity Microscale υπό υψηλή πίεση επαφής που ενεργοποιείται από επικαλυμμένη με γραφένιο μικροσφαίρα. Nat Commun8: 14029 (2017) Google Scholar
  9. Fileter Τ, McChesney J L, Bostwick Α, Rotenberg Ε, Emtsev Κ V, Seyller Τ, Horn Κ, Bennewitz R. Τριβή και διαρροή σε επιταξιακές ταινίες γραφένιου. Phys Rev Lett102(8): 086102 (2009) Google Scholar
  10. Φιλιέτης Τ, Bennewitz R. Δομικές και τριβές ιδιότητες των φιλμ γραφένιου σε SIC (0001) που μελετήθηκαν με μικροσκοπία ατομικής δύναμης. Phys rev b81(15): 155412 (2010) Google Scholar
  11. Lee C, Li Q Y, Kalb W, Liu X Z, Berger Η, Carpick R W, Hone J. Χαρακτηριστικά τριβής των ατομικά λεπτών φύλλων. Επιστήμη328(5974): 76-80 (2010) Google Scholar
  12. Lee H, Lee Ν, Seo Y, Eom J, Lee S. Σύγκριση των δυνάμεων τριβής σε γραφένιο και γραφίτη. Νανοτεχνολογία20(32): 325701 (2009) Google Scholar
  13. Lee C, Wei X D, Li Q Y, Carpick R, Kysar J W, Hone J. Ελαστικές και τριβές ιδιότητες του graphene. Φυσική κατάσταση Solidi B246(11-12): 2562-2567 (2009) Google Scholar
  14. Li Q Y, Lee C, Carpick R W, Hone J. Επίδραση υποστρώματος στην εξαρτώμενη από πάχος τριβή στο γραφένιο. Φυσική κατάσταση Solidi B247 (112-12): 2909-2914 (2010) Google Scholar
  15. Cho D H, Wang L, Kim J S, Lee G H, Kim E S, Lee S, Lee S Y, Hone J, Lee C. Επίδραση της μορφολογίας της επιφάνειας στην τριβή του γραφένιου σε διάφορα υποστρώματα. Να σε νανοκλίμακα5(7): 3063-3069 (2013) Google Scholar
  16. Paolicelli G, Tripathi Μ, Corradini V, Candini Α, Valeri S. Συμπεριφορά τριβής νανοκλίμακας του graphene στο SIO2 και Ni (111) υποστρώματα. Νανοτεχνολογία26(5): 055703 (2015) Google Scholar
  17. Chen Z, Khajeh Α, Martini Α, Kim S H. Χημική και φυσική προέλευση της τριβής σε επιφάνειες με ατομικά βήματα. Sci Adv5(8): EAAW0513 (2019) Google Scholar
  18. Chen L, Chen Z, Tang X Y, Yan W M, Zhou Z R, Qian L M, Kim S Η. Τριβή σε άκρα βήματος Graphene ενός στρώματος λόγω χημικών και τοπογραφικών αλληλεπιδράσεων. Ανθρακας154: 67-73 (2019) Google Scholar
  19. Lang H J, Peng Y T, Zeng X Z, Cao X A, Liu L, Zou K. Επίδραση της σχετικής υγρασίας στις ιδιότητες τριβής του γραφένιου σε βήματα ατομικής κλίμακας. Ανθρακας137: 519-526 (2018) Google Scholar
  20. Lang H J, Peng Y T, Zeng X Z. Επίδραση της αντοχής σύνδεσης μεταξύ των στρώσεων και της ακαμψίας κάμψης στις ιδιότητες τριβής των 2-διαστάσεων υλικών σε βήματα ατομικής κλίμακας. Appl Surf Sci411: 261-270 (2017) Google Scholar
  21. Ye Z J, Martini A. Ατομική τριβή σε εκτεθειμένες και θαμμένες άκρες γραφίτη: Πειράματα και προσομοιώσεις. Appl Phys Lett106(23): 231603 (2015) Google Scholar
  22. Lee H, Lee H B R, Kwon S, Salmeron Μ, Park J Y. Τα εσωτερικά και εξωτερικά ατομικά βήματα σε γραφίτη παρουσιάζουν δραματικά διαφορετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες. ACS Nano9(4): 3814-3819 (2015) Google Scholar
  23. Hunley D P, Flynn Τ J, Dodson Τ, Sundararajan Α, Boland Μ J, Strachan D R. Τριβή, προσκόλληση και ελαστικότητα των άκρων graphene. Phys rev b87(3): 035417 (2013) Google Scholar
  24. Egberts P, Ye Z J, Liu X Z, Dong Y L, Martini Α, Carpick R W. Περιβαλλοντική εξάρτηση της τριβής ατομικής κλίμακας σε βήματα επιφάνειας γραφίτη. Phys rev b88(3): 035409 (2013) Google Scholar
  25. Dong Y L, Liu X Z, Egberts Ρ, Ye Z J, Carpick R W, Martini A. Συσχέτιση μεταξύ σχήματος ανιχνευτή και ατομικών κορυφών τριβής στις άκρες του γραφίτη. Τριαντάφυλλο50(1): 49-57 (2013) Google Scholar
  26. Panigrahi S, Bhattacharya Α, Bandyopadhyay D, Grabowski S J, Bhattacharya D, Banerjee S. Ιδιοκτησία βροχής των άκρων του μονοατομικού βήματος στον γραφίτη: μικροσκοπία τριβής-δύναμης και ab initio κβαντικές χημικές μελέτες. J phys chem c115(30): 14819-14826 (2011) Google Scholar
  27. Hölscher Η, Ebeling D, Schwarz U D. Τριβή σε βήματα επιφάνειας ατομικής κλίμακας: Πείραμα και θεωρία. Phys Rev Lett101(24): 246105 (2008) Google Scholar
  28. Müller Τ, Lohrmann Μ, Kässer Τ, Marti Ο, Mlynek J, Krausch G. Δύναμη τριβής μεταξύ μιας απότομης αστάθειας και ενός επιφανειακού βήματος. Phys Rev Lett79(25): 5066-5069 (1997) Google Scholar
  29. Weilandt E, Menck A, Marti O. Μελέτες τριβής σε βήματα με μικροσκοπία δύναμης τριβής. Πρωκτό διασύνδεσης23(6): 428-430 (1995) Google Scholar
  30. Ruan J A, Bhushan B. Η συμπεριφορά τριβής του εξαιρετικά προσανατολισμένου πυολυτικού γραφίτη. J apply phys76(12): 8117-8120 (1994) Google Scholar
  31. Schwoebel R L, Shipsey Ε J. Βήμα κίνησης σε κρυστάλλινες επιφάνειες. J apply phys37(10): 3682-3686 (1966) Google Scholar
  32. Ye Z J, Otero-de-La-Roza Α, Johnson Ε R, Martini Α. Επίδραση του σχήματος άκρων στην ατομική τρύπα σε άκρες βήματος γραφίτη. Appl Phys Lett103(8): 081601 (2013) Google Scholar
  33. Barthel A J, Luo J W, Hwang K S, Lee J Y, Kim S Η. Επίδραση οριακής λίπανσης των οργανικών υπολειμμάτων που απομένουν στην επιφάνεια μετά την εξάτμιση του διαλύτη οργανικού καθαρισμού. Φορούν 350 351: 21-26 (2016) Google Scholar
  34. Sader J E, Larson I, Mulvaney P, White L R. Μέθοδος για τη βαθμονόμηση των προβλήτων μικροσκοπίου ατομικής δύναμης. Rev Sci Instrum66(7): 3789-3798 (1995) Google Scholar
  35. Barnette A L, Asay D Β, Janik M J, Kim S H. Η ισοθερμική προσρόφηση και ο προσανατολισμός των αλκοόλης σε υδρόφιλη SIO2 υπό συνθήκες περιβάλλοντος. J phys chem c113(24): 10632-10641 (2009) Google Scholar
  36. Yu J X, Kim S Η, Yu B J, Qian L M, Zhou Z R. Ο ρόλος της Tribochemistry στη Nanowear του μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Διεπαφές ACS Appl Mater4(3): 1585-1593 (2012) Google Scholar
  37. Qi Y Z, Liu J, Dong Y L, Feng X Q, Li Q Y. Επιπτώσεις των περιβαλλόντων στη συμπεριφορά φθοράς νανοκλίμακας του graphene: Edge Passivation vs. Υποστρώματος. Ανθρακας139: 59-66 (2018) Google Scholar
  38. Ogletree D F, Carpick R W, Salmeron Μ. Βαθμονόμηση των δυνάμεων τριβής σε μικροσκοπία ατομικής δύναμης. Rev Sci Instrum67(9): 3298-3306 (1996) Google Scholar
  39. Varenberg M, Itsion I, Halperin G. Μια βελτιωμένη μέθοδος βαθμονόμησης σφήνας για πλευρική δύναμη σε μικροσκοπία ατομικής δύναμης. Rev Sci Instrum74(7): 3362-3367 (2003) Google Scholar
  40. Noy A, Frisbie C D, Rozsnyai L F, Wrighton M S, Lieber C M. Μικροσκοπία χημικής δύναμης: Εκμετάλλευση χημικά τροποποιημένων συμβουλών για την ποσοτικοποίηση των κατανομών προσκόλλησης, τριβής και λειτουργικών ομάδων σε μοριακά συγκροτήματα. J Am Chem Soc117(30): 7943-7951 (1995) Google Scholar
  41. Dufrêne Υ F, Ando Τ, Garcia R, Alsteens D, Martinez-Martin D, Engel Α, Gerber C, Müller D J. Τρόποι απεικόνισης μικροσκοπίας ατομικής δύναμης για εφαρμογή στη μοριακή και κυτταρική βιολογία. Νανοστιχνόλης12(4): 295-307 (2017) Google Scholar
  42. Levita G, Restuccia P, Righi M C. Graphene και MOS2 αλληλεπίδραση με νερό: σύγκριση με ab initio υπολογισμοί. Ανθρακας107: 878-884 (2016) Google Scholar
  43. Mo Y, Turner K T, Szlufarska Ι. Νόμοι τριβής στη νανοκλίμακα. Φύση457: 1116-1119 (2009) Google Scholar
  44. Chen Z, Vazirisereshk M R, Khajeh Α, Martini Α, Kim S H. Επίδραση της ατομικής κυματισμού στην προσκόλληση και την τριβή: μια μελέτη μοντέλου με άκρα βήματος Graphene. J Phys Chem Lett10(21): 6455-6461 (2019) Google Scholar

Ευχαριστίες

Το έργο αυτό υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (επιχορήγηση όχι. CMMI-1727571).

Πληροφορίες συγγραφέα

Συγγραφείς και συνεργασίες

  1. Τμήμα Χημικών Μηχανικών και Υλικών Ερευνών, Πενσυλβανία Κρατικό Πανεπιστήμιο, Πανεπιστημιακό Πάρκο, PA, 16802, ΗΠΑ Zhe Chen & Seong H. Κιμ
  1. Zhe Chen

Μπορείτε επίσης να αναζητήσετε αυτόν τον συγγραφέα στο PubMed Google Scholar

Μπορείτε επίσης να αναζητήσετε αυτόν τον συγγραφέα στο PubMed Google Scholar

Αντίστοιχος συγγραφέας

Επιπλέον πληροφορίες

Zhe Chen. Δρ. Ο Τσεν κέρδισε το Β του.μικρό. πτυχίο Μηχανολόγων Μηχανικών από το Northwestern Polytechnical University και το PH.ρε. πτυχίο Μηχανολόγων Μηχανικών από το Πανεπιστήμιο Tsinghua στην Κίνα. Είναι τώρα μεταδιδακτορικός ερευνητής. Τα ερευνητικά του ενδιαφέροντα είναι διεπιφανειακές ολισθαίνουσες ιδιότητες και εφαρμογές δισδιάστατων στρωματοποιημένων υλικών ως στερεά λιπαντικά και πρόσθετα λιπαντικών.

Seong h. Κιμ. Καθηγητής. Ο Κιμ εντάχθηκε στη Σχολή Χημικών Μηχανικών το 2001 μετά την ολοκλήρωση ενός pH.ρε. Μελέτη στη χημεία από το Northwestern University και μεταδιδακτορική έρευνα στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Berkeley, ΗΠΑ. Κέρδισε το Β του.μικρό. και Μ.μικρό. πτυχία χημείας από το Πανεπιστήμιο Yonsei, Κορέα. Το κύριο θέμα της έρευνάς του έγκειται στην επιστήμη της επιφάνειας και στη νανο-μηχανική, ειδικά εφαρμόζοντας βασικά στοιχεία της επιφάνειας επιστήμης σε σημαντικά διεπιφανειακά προβλήματα που εμπλέκονται στην τριβολογία και τη λίπανση, τη νανοσυσκευαστική και την επιφανειακή μηχανική.

Δικαιώματα και δικαιώματα

Ανοιχτή πρόσβαση: Αυτό το άρθρο διαθέτει άδεια βάσει μιας Creative Commons Attribution 4.0 Η διεθνής άδεια, η οποία επιτρέπει τη χρήση, την κοινή χρήση, την προσαρμογή, τη διανομή και την αναπαραγωγή σε οποιοδήποτε μέσο ή μορφή, εφόσον δίνετε την κατάλληλη πίστωση στον αρχικό συγγραφέα και την πηγή, παρέχετε σύνδεσμο με την άδεια Creative Commons και υποδείξτε εάν έγιναν αλλαγές.

Οι εικόνες ή άλλο υλικό τρίτου σε αυτό το άρθρο περιλαμβάνονται στο άρθρο’S Creative Commons Άδεια, εκτός εάν αναφέρεται διαφορετικά σε μια πιστωτική γραμμή στο υλικό. Εάν το υλικό δεν περιλαμβάνεται στο άρθρο’S Creative Commons Άδεια και η επιδιωκόμενη χρήση σας δεν επιτρέπεται με νόμιμο κανονισμό ή υπερβαίνει την επιτρεπόμενη χρήση, θα χρειαστεί να λάβετε άδεια απευθείας από τον κάτοχο των πνευματικών δικαιωμάτων.

Για αυτό το άρθρο

Αναφέρετε αυτό το άρθρο

Τσεν, Ζ., Kim, S.H. Μέτρηση της τριβής νανοκλίμακας σε άκρα βήμα Graphene. Τριβή 8, 802-811 (2020). https: // doi.org/10.1007/S40544-019-0334-y

  • Λήψη: 02 Μαΐου 2019
  • Αναθεωρημένο: 20 Αυγούστου 2019
  • Αποδοχή: 09 Οκτωβρίου 2019
  • Δημοσιεύθηκε: 10 Δεκεμβρίου 2019
  • Ημερομηνία έκδοσης: Αύγουστος 2020
  • Doi: https: // doi.org/10.1007/S40544-019-0334-y

Μοιραστείτε αυτό το άρθρο

Όποιος μοιράζεστε τον ακόλουθο σύνδεσμο θα είναι σε θέση να διαβάσει αυτό το περιεχόμενο:

Λάβετε κοινόχρηστο σύνδεσμο

Λυπούμαστε, ένας κοινός σύνδεσμος δεν είναι επί του παρόντος διαθέσιμος για αυτό το άρθρο.

Αντιγραφή στο πρόχειρο

Που παρέχεται από την πρωτοβουλία κοινής χρήσης περιεχομένου Springer Nature ShareDit

Λέξεις -κλειδιά

  • τριβή
  • γραφένιο
  • βήμα
  • μικροσκοπία ατομικής δύναμης
  • αμβλύτητα

Απροσδόκητη εξαρτώμενη από την ταχύτητα τριβή στο γραφένιο

Απροσδόκητη εξαρτώμενη από την ταχύτητα τριβή στο γραφένιο

Λόγω των ιδιοτήτων τους χαμηλής τριβής, τα υλικά που αποτελούνται από μεμονωμένα ατομικά στρώματα παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον για εφαρμογές όπου ο στόχος είναι να μειωθεί η τριβή-όπως οι σκληροί δίσκοι ή τα κινούμενα εξαρτήματα για δορυφόρους ή διαστημικά τηλεσκόπια.

Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι το graphene, το οποίο αποτελείται από ένα μόνο στρώμα ατόμων άνθρακα σε μια διευθέτηση κηρήθρας και εξετάζεται με σκοπό την πιθανή χρήση ως λίπανση στρώματος. Πράγματι, προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι μια κορδέλα graphene μπορεί να μετακινηθεί σε μια χρυσή επιφάνεια με σχεδόν καμία τριβή.

Εκπληκτικά αποτελέσματα με μια τραχιά επιφάνεια

Εάν το graphene εφαρμόζεται σε επιφάνεια πλατίνας, έχει σημαντικό αντίκτυπο στις μετρήσιμες δυνάμεις τριβής. Τώρα, οι φυσικοί από το Πανεπιστήμιο της Βασιλείας και το Πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ έχουν αναφέρει στο περιοδικόΓράμματα νανοΑυτό, σε αυτή την περίπτωση, η τριβή εξαρτάται από την ταχύτητα με την οποία μετακινείται η άκρη ενός μικροσκοπίου ατομικής δύναμης σε όλη την επιφάνεια.

Αυτό το εύρημα είναι εκπληκτικό, διότι η τριβή δεν εξαρτάται από την ταχύτητα σύμφωνα με τον νόμο του Coulomb, ο οποίος ισχύει στον μακροοικονομικό κόσμο.

Σε συνδυασμό με το υπόστρωμα πλατίνας, το graphene δεν σχηματίζει πλέον μόνο το εξαγωνικό σχήμα κηρήθρας ατόμων άνθρακα και αντ ‘αυτού σχηματίζει υπερκατασκευές γνωστές ως superlattices Moiré. Η επιφάνεια δεν είναι πλέον εντελώς επίπεδη και παρουσιάζει ένα ορισμένο βαθμό τραχύτητας.

“Εάν μετακινήσουμε την άκρη AFM σε αυτή την ελαφρώς κυματοειδές επιφάνεια σε χαμηλή ταχύτητα, μετράμε μια αδύναμη και σχεδόν σταθερή δύναμη τριβής”, εξηγεί ο καθηγητής Ernst Meyer από το Ελβετικό Ινστιτούτο Νανοκέφαλου και το Τμήμα Φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Βασιλείας.

“Πάνω από ένα συγκεκριμένο όριο, ωστόσο, η τριβή αυξάνεται στη συνέχεια με την ταχύτητα του άκρου AFM”, προσθέτει ο πρώτος συγγραφέας DR. Τραγούδι yiming. “Όσο μεγαλύτερη είναι η υπερκατασκευή Moiré, τόσο χαμηλότερο είναι το κατώφλι στο οποίο εξαρτάται η τριβή εξαρτώμενη από την ταχύτητα.«

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι υπάρχει μεγαλύτερη αντίσταση στις κορυφογραμμές των υπερκατασκευών Moiré κατά τη διάρκεια της κίνησης της άκρης. Αυτές οι κορυφογραμμές υποβάλλονται σε ελαστική παραμόρφωση λόγω της ώθησης πριν χαλαρώσετε ξανά όταν η πίεση είναι αρκετά υψηλή. Αυτό το αποτέλεσμα έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερες δυνάμεις τριβής που αυξάνονται με την ταχύτητα της άκρης. Οι προσομοιώσεις και ένα αναλυτικό μοντέλο επιβεβαιώνουν τα πειραματικά ευρήματα που λαμβάνονται από αυτή τη διεθνή ομάδα ερευνητών.

Περισσότερες πληροφορίες: Yiming Song et al, Εξάρτηση ταχύτητας της τριβής Moiré, Γράμματα νανο (2022). Doi: 10.1021/ACS.νανολέτο.2C03667

Πληροφορίες περιοδικών: Γράμματα νανο

Παρέχεται από το Swiss Nanoscience Institute, Πανεπιστήμιο της Βασιλείας

Παραπομπή: Απροσδόκητη εξαρτώμενη από την ταχύτητα τριβή στο graphene (2022, 7 Δεκεμβρίου) που ανακτήθηκε 18 Μαΐου 2023 από https: // phys.org/news/2022-12-μη εκπεφρασμένη ταχύτητα εξαρτώμενη από την ταχύτητα-graphene.HTML

Αυτό το έγγραφο υπόκειται σε δικαιώματα πνευματικής ιδιοκτησίας. Εκτός από οποιαδήποτε δίκαιη αντιμετώπιση με σκοπό την ιδιωτική μελέτη ή την έρευνα, κανένα μέρος δεν μπορεί να αναπαραχθεί χωρίς τη γραπτή άδεια. Το περιεχόμενο παρέχεται μόνο για πληροφοριακούς σκοπούς.

Περιβαλλοντική μοριακή επίδραση στις συμπεριφορές τριβής μακροσκοπικής κλίμακας του γραφένιου

Panpan li 1,2,3 , www.frontiersin.orgBo Wang 3 , www.frontiersin.orgLi Ji 1,2 *, Hongxuan Li 1,2 *, www.frontiersin.orgLei Chen 1,2 , www.frontiersin.orgXiaohong liu 1,2 , www.frontiersin.orgHuidi Zhou 1,2 και www.frontiersin.orgJianmin Chen 1,2

  • 1 Βασικό Εργαστήριο Επιστήμης και Τεχνολογίας για τη φθορά και την Προστασία των Υλικών, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Κινεζική Ακαδημία Επιστημών, Lanzhou, Κίνα
  • 2 Κέντρο Επιστήμης των Υλικών και Οπτοηλεκτρονικής Μηχανικής, Πανεπιστήμιο Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, Πεκίνο, Κίνα
  • 3 Κρατικό Εργαστήριο Στερεών Λίπανσης, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Κινεζική Ακαδημία Επιστημών, Lanzhou, Κίνα

Αυτή η μελέτη διερεύνησε τη συμπεριφορά τριβής του graphene σε περιβάλλοντα ατμόσφαιρα αέρα και αζώτου. Η μικροδομική εξέλιξη που προκαλείται από την παραλλαγή του περιβάλλοντος της ατμόσφαιρας και η επίδρασή της στον συντελεστή τριβής του γραφένιου διερευνάται. Αποδεικνύεται ότι το graphene μπορεί να παρουσιάζει εξαιρετικές ιδιότητες λίπανσης τόσο σε περιβάλλοντα ατμόσφαιρας αέρα όσο και αζώτου. Στον αέρα, μπορεί να σχηματιστεί μια δομή ολίσθησης στρώματος ανά στρώμα με στρώμα στη συρόμενη διασύνδεση. Οξυγόνο και Η2O Τα μόρια μπορούν να κάνουν τα άκρα που κουνιστούν δεσμούς και ελαττώματα παθητικά. Έτσι, η αλληλεπίδραση μεταξύ των νανοσωματιδίων και των στρωμάτων των νανοσωματιδίων είναι αδύναμη και ο συντελεστής τριβής είναι χαμηλός (0.06-0.07). Ενώ ο συντελεστής τριβής αυξάνεται στο 0.14-0.15 Σε μια ατμόσφαιρα αζώτου λόγω της αλληλεπίδρασης των ελαττωμάτων που παράγονται στη διαδικασία ολίσθησης, τα μόρια αζώτου με ηλεκτρόνια ζεύγους μόνο μπορούν να κάνουν τα νανοσωλήνα παθητικά σε κάποιο βαθμό, έτσι η διατεταγμένη δομή ολίσθησης καταστρέφεται και η τριβή είναι υψηλότερη. Αυτό το έργο αποκαλύπτει την επιρροή των περιβαλλοντικών μορίων στις μακροσκοπικές επιδόσεις του graphene και της επίδρασής του στη μικροδομή στη συρόμενη διεπαφή, η οποία θα μπορούσε να ρίξει φως στις λιπαντικές επιδόσεις του γραφένιου στις περιβαλλοντικές ατμόσφαιρες και.

Εισαγωγή

Η μείωση της τριβής και των ζημιών φθοράς έχει μεγάλη αξία για τα κινούμενα συστατικά των συνθηκών ολίσθησης (Holmberg και Erdemir, 2017). Ως τυπικό στρώμα υλικό, ο γραφίτης χρησιμοποιείται εκτενώς ως το στερεό λιπαντικό λόγω της αδύναμης αλληλεπίδρασης της δύναμης van der Waals μεταξύ των στρωμάτων (Geim και Novoselov, 2007). Υποδεικνύεται ότι οι τριβολογικές συμπεριφορές του γραφίτη επηρεάζονται εύκολα από ατμοσφαιρικά περιβάλλοντα και παρουσιάζει χαμηλή τριβή στην ατμόσφαιρα αέρα και υψηλή τριβή σε κενό ή αδρανείς ατμόσφαιρες (Savage, 1948, Savage and Schaefer, 1956). Κατά τις τελευταίες δεκαετίες, οι περισσότερες ερευνητικές και πρακτικές εφαρμογές ασχολούνται με την τριβολογική απόδοση του γραφίτη (Lancaster and Pritchard, 1981) και λίγες μελέτες έχουν επικεντρωθεί στην εγγενή μικροδομή που καθορίζει τις τριβολογικές ιδιότητες του γραφίτη. Από τη μία πλευρά, η δομική αλλαγή του τρισδιάστατου (3D) γραφίτη είναι δύσκολο να παρατηρηθεί. Από την άλλη πλευρά, το σύστημα πρακτικών εφαρμογών είναι συνήθως περίπλοκο. Ως εκ τούτου, η εξερεύνηση της επίδρασης του ατμοσφαιρικού περιβάλλοντος στην εγγενή δομή της υποκείμενης προέλευσης της μακροσκοπικής τρισδιάστατης απόδοσης είναι δύσκολη και απαιτεί περαιτέρω διερεύνηση. Εν τω μεταξύ, έχουν προταθεί ορισμένοι μηχανισμοί λίπανσης γραφίτη για να εξηγήσουν την απόδοση του γραφίτη σε διάφορες συνθήκες (Bollmann και Spreadborough, 1960, Bryant et al., 1964) Αλλά εξακολουθούν να υπάρχουν διαφωνίες σχετικά με την ακριβή φύση αυτών των μηχανισμών.

Οι μικροκαλλιεργητές μελέτες λίπανσης, ειδικά οι μελέτες της δομής θα μπορούσαν να καθοδηγήσουν την κατανόηση της προέλευσης των τριβολογικών ιδιοτήτων και του μηχανισμού λίπανσης μακροσκύκλων (Zheng and Liu, 2014, Zhang et al., 2019). Ως βασική μονάδα γραφίτη, το graphene διαθέτει μια τυπική δομή νανοσενέδων λεπτού χαρτιού (2D) που δίνει το graphene με εξαιρετικές ιδιότητες που περιλαμβάνουν συναρπαστικές φυσικές, ηλεκτρονικές και χημικές ιδιότητες (Zhu et al., 2010; Avouris και Dimitrakopoulos, 2012; Badhulika et al., 2015). Το Graphene παρουσιάζει εξαιρετικές τριβολογικές ιδιότητες (Berman et al., 2014; Berman et al., 2015) και έχει προσελκύσει σημαντική προσοχή στον τομέα της Tribology. Η μακροσκοπική Tribological Research of Graphene ξεκίνησε τα τελευταία χρόνια και αυξάνεται σταδιακά. Οι επικαλύψεις graphene έπεσαν στο χαλύβδινο υπόστρωμα έχουν τη δυνατότητα να μειώσουν την τριβή και τη φθορά στον αέρα και να στεγνώσουν μια ατμόσφαιρα αζώτου (Berman et al., 2013a; Berman et al., 2013b), αλλά εξακολουθεί να απαιτείται ένας χαμηλότερος συντελεστής τριβής. Παρόμοια με άλλα υλικά άνθρακα, υγρασία ή ατμόσφαιρα έχει επίσης προφανή επίδραση στην απόδοση τριβής του γραφένιου (Erdemir, 2001, Yen et al., 2004; Bhowmick et al., 2014). Ως νέο αναδυόμενο στερεό λιπαντικό, το λεπτό-χαρτί δομής Graphene διαθέτει πολλές εκτεθειμένες επιφάνειες που μπορούν να προσφέρουν ευκολία για τον χαρακτηρισμό της μικροδομής του γραφίτη, ο οποίος θα μπορούσε να είναι προσβάσιμος για την εξερεύνηση της εγγενούς δομής της ολίσθησης της διασύνδεσης επαφής του γραφένιου (Maciel et al., 2020). Ο συντελεστής τριβής μακροσκοπικής κλιμάκωσης του graphene εξαρτάται επίσης από τη μικροδομή του, οπότε μπορεί να τεκμαίρεται ότι το graphene με άθικτα νανοσωματίδια μπορεί να παρουσιάσει εξαιρετική απόδοση λίπανσης. Συγκεκριμένα, η εξαιρετικά διατεταγμένη δομή ολίσθησης στη διεπαφή ολίσθησης επιτρέπει στο graphene να αποκτήσουν τριβή superlow macroscale (Song et al., 2017), και η ιδανική στρώση ολίσθησης της μικροδομής είναι η προϋπόθεση για το graphene να παρουσιάζει εκκρεμείς μακροσκοπικές εκφοβικές συμπεριφορές (Li et al., 2020; Gao et al., 2020). Τα τελευταία χρόνια, η έρευνα σχετικά με τις τριβολογικές ιδιότητες του graphene επικεντρώνεται κυρίως στη μικροσκοπική κλίμακα και θεωρητικά (Hirano and Shinjo, 1990) (Dienwiebel et al., 2004; Song et al., 2018) και μπορεί να παρέχει καθοδήγηση για την έρευνα μακροσκοπικής κλίμακας. Η τριβή της μικροσκύλλευσης εμφανίζεται στην ιδανική μικρή διεπαφή επαφής και το άθικτο νανοσωματίδιο του graphene μπορεί να πάρει χαμηλή τριβή (Hod et al., 2018; Chen and Li, 2020). Ωστόσο, στη μακροσκοπική κλίμακα, η διεπαφή επαφής έχει μεγάλους και άφθονους παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση τριβής (Cooper et al., 2019; Yu et al., 2020). Συγκεκριμένα, τα νανοσηλεύσματα του γραφένιου έχουν υψηλή ειδική επιφάνεια και απορροφούν ευκολότερα τα περιβάλλοντα μόρια αερίου όταν εκτίθενται σε μια ατμόσφαιρα, η οποία θα επηρεάσει εύκολα τις μακροσκοπικές τριβολογικές ιδιότητες. Προηγούμενες μελέτες μακροσκύτης δείχνουν ότι το graphene παρουσιάζει χαμηλή τριβή σε περιβάλλοντα υγρασίας, υδρογόνου ή αέρα με ενεργά μόρια αερίου και δείχνει την απόκριση στα περιβάλλοντα περιβάλλοντα (Berman et al., 2015; Li et al., 2017; Gao et al., 2018). Για να κατανοήσουμε την υποκείμενη προέλευση της τριβολογικής απόδοσης του γραφένι, η σχέση μεταξύ των μεταβολών της μικροδομής και των τριβολογικών ιδιοτήτων πρέπει να διερευνηθεί και να ρίξει φως στον μηχανισμό λίπανσης μακροσκοπικών κλιματιστικών (μηχανικά απολεπισμένο γραφένιο), έτσι ώστε να βοηθήσει να κατανοηθεί ο μηχανισμός λίπανσης μακροσκοπικής λίπανσης.

Με βάση αυτό, διερευνήθηκαν οι μακροσκοπικές φυτικές ιδιότητες του γραφένιου στην ατμόσφαιρα του αέρα και του αζώτου και μελετήθηκαν οι συμπεριφορές απόκρισης στις γύρω ατμόσφαιρες. Στη συνέχεια, η αντίστοιχη μικροδομή της ολισθαίνουσας διεπαφής και οι μορφολογίες του ζεύγους τριβής χαρακτηρίστηκαν από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης (TEM) και το Raman Spectra καθώς και την οπτική εικόνα για τη διερεύνηση της επίδρασης των ατμόσφαιρα περιβάλλοντος στη μικροδομή και την επίδραση στη συμπεριφορά του Graphene της μακροσκοπικής κλιμάκωσης. Η έρευνα της διαρθρωτικής εξέλιξης που προκαλείται από τις περιβάλλουσες ατμόσφαιρες και η επιρροή τους στον συντελεστή τριβής κατά τη διάρκεια της αλλαγής της ατμόσφαιρας βοηθά στην αποκάλυψη της μακροσκοπικής κλιμακωτής απόδοσης του γραφένι.

Μέθοδος

Υλικά και προετοιμασία δείγματος

Το Graphene Powder αγοράστηκε από την Nanjing Jicang Nano Technology Company Limited (Nanjing, China) και τα νανοσωλήνα Graphene παρασκευάζονται με μηχανική απολέπιση. Αναλυτική πτητική αλκοόλη (Tianjin, China) αποκτήθηκε εμπορικά. Η αγορασμένη σκόνη graphene και το πτητικό αλκοόλ χωρίς χημική θεραπεία επιλέχθηκαν για να εξερευνήσουν τις εγγενείς ιδιότητες του καθαρού γραφένιου. Η αρχική δομή του graphene φαίνεται στο σχήμα 1. Η σκόνη του γραφένιου πάνω από τη διασπορά ήταν διασκορπισμένη σε 100 ml πτητικού αλκοόλης σε συγκέντρωση μάζας 2 g/L και στη συνέχεια η διασπορά ψεκάστηκε στο υπόστρωμα χάλυβα Μ2 αμέσως μετά από 30 λεπτά υπερηχητικά (το Σχήμα 2Α δείχνει τη διαδικασία παρασκευής δείγματος). Πριν από τη διαδικασία ψεκασμού, το υπόστρωμα χάλυβα M2 λεηλατήθηκε από 1.000 γυαλόχαρτο. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ψεκασμού, το ξηρό άζωτο υψηλής καθαρότητας χρησιμοποιήθηκε ως αέριο φορέα σε πίεση 0.2 MPa (το σχηματικό σχήμα παρουσιάστηκε στο Σχήμα 2Β) και τα ελήφθη δείγματα ξηράνθηκαν σε κενό στους 80 ° C για 1 ώρα για να αντέξουν τις επικαλύψεις graphene.

www.frontiersin.org

ΦΙΓΟΥΡΑ 1. Πρωτότυπη μικροδομή του γραφένιου: (ΕΝΑ) XRD μοτίβα, (ΣΙ) Φασματοσκοπία Raman, (ΝΤΟ) Μορφολογία HRTEM του γραφένιου, (ΡΕ) Πλευρικό μέγεθος των νανοσωματιδίων graphene.

Ελκυστικές καμπύλες: Ο ρόλος των παραμορφώσεων στην προσκόλληση και την τριβή στο graphene †

Π. V. Antonov ‡ A, P. Restuccia b, m. ντο. Righi * b και j. W. Μ. Frenken§ * AC
Ένα προηγμένο Κέντρο Ερευνών για τη Νανολιθογραφία, το Science Park 106, 1098 XG Amsterdam, Ολλανδία. E-mail: [email protected]
Β Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας, Πανεπιστήμιο της Μπολόνια, Viale Berti Pichat 6/2, 40127, Μπολόνια, Ιταλία. E-mail: Clelia.righi@unibo.το
C Institute of Physics, Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ, Science Park 904, 1098 XH Amsterdam, Ολλανδία

Ελήφθη στις 5 Μαΐου 2022, αποδεκτή στις 7 Σεπτεμβρίου 2022

Δημοσιεύθηκε για πρώτη φορά στις 14 Σεπτεμβρίου 2022

Αφηρημένη

Οι μετρήσεις μικροσκοπίας δύναμης τριβής αποκαλύπτουν μια δραματική διαφορά ενός συντελεστή 3 μεταξύ των δυνάμεων τριβής που βιώνουν σε ένα γραφένιο ενός μονοστοιχείο πάνω από οξειδωμένα και μη οξειδωμένα υποστρώματα χαλκού. Συνδέουμε αυτή τη διαφορά με την ισχυρή και αδύναμη προσκόλληση που βιώνει το γραφένιο σε αυτά τα δύο υποστρώματα, αντίστοιχα, αλλά υποστηρίζει ότι είναι πολύ μεγάλο για να αποδοθεί είτε σε διαφορά στην περιοχή επαφής είτε σε διαφορά στην επαφή commensurability ή ακόμα και σε συνδυασμό αυτών των δύο αποτελεσμάτων. Χρησιμοποιούμε λειτουργική θεωρία πυκνότητας για να δείξουμε σημαντική αύξηση της χημικής αντιδραστικότητας του γραφένιου όταν είναι καμπύλο.

1. Εισαγωγή

Το Graphene είναι μία μονοστοιβάδα του SP 2 συνδεδεμένος άνθρακας. Είναι το ελαφρύτερο, λεπτότερο και ισχυρότερο υλικό που είναι γνωστό μέχρι σήμερα και τα νέα ακραία ακίνητα εξακολουθούν να προστίθενται στον αναπτυσσόμενο κατάλογο για αυτό το ειδικό, δισδιάστατο υλικό. Καθώς το graphene σχηματίζει ένα φυσικό συστατικό του γραφίτη και του γραφίτη χρησιμοποιείται συνήθως ως στερεό λιπαντικό, οι ιδιότητες τριβής του γραφενίου έχουν προσελκύσει επίσης την προσοχή και ακόμη και ένα στρώμα γραφένιου είναι γνωστό ότι μειώνει την ξηρή τριβή και τη φθορά στην ολίσθηση της επαφής. 2-11 Πειράματα τριβής νανοκλίμακας με μικροσκοπία δύναμης τριβής (FFM) κατέδειξαν ότι η τριβή στο graphene μπορεί να εξαρτάται ευαισθητοποιημένα από τον αριθμό των στρωμάτων graphene 12-14 και περίπου φθάνει στην τιμή του χύδην γραφίτη μόνο σε πάχος τεσσάρων στρωμάτων. 15

Δεδομένου ότι το graphene έχει σχετικά χαμηλή δυσκαμψία κάμψης, μπορεί εύκολα να διογκωθεί (pucker) μπροστά από την συρόμενη άκρη AFM. 15 Αυτή η επίδραση παρατηρήθηκε ειδικά σε υποστρώματα οξειδίου του πυριτίου και χαλκού, και τα δύο έχουν αδύναμη προσκόλληση σε γραφένιο. Η ράβδος βρέθηκε να είναι ευαίσθητη στον αριθμό των στρωμάτων του γραφένιου και να γίνει λιγότερο έντονη, καθώς ο αριθμός των στρωμάτων αυξάνεται. Το τελευταίο αποτέλεσμα συνδέεται με την ισχυρότερη προσκόλληση του ανώτατου στρώματος του γραφένιου σε υποκείμενα στρώματα γραφένι. Αντίστοιχα, η φούσκα καταστέλλεται σε υποστρώματα στα οποία το graphene παρουσιάζει ισχυρή προσκόλληση, όπως το MICA, 15 από την οποία παρατηρείται η δύναμη τριβής να μην εξαρτάται από τον αριθμό των στρωμάτων γραφένιου.

Η αύξηση της τριβής που σχετίζεται με το φαινόμενο της πύργης αποδόθηκε αρχικά στην αύξηση της περιοχής επαφής μεταξύ του άκρου AFM και της πτυχής που εισάγει στο graphene μπροστά από μόνη της. 15-17 Αργότερα, οι ίδιοι συγγραφείς έδειξαν ότι η αύξηση της τριβής ήταν σημαντικά μεγαλύτερη από την αλλαγή στην περιοχή επαφής που εκτιμούσαν λόγω της φούσκας του γραφένιου. Ως εκ τούτου, πρότειναν μια εναλλακτική εξήγηση, στην οποία δόθηκε ένας βασικός ρόλος στην ελευθερία του γραφένιου να παραμορφωθεί τοπικά, προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η συναρπαστικότητα του με αυτές τις περιοχές στην άκρη, στις οποίες έκανε οικεία επαφή. Αυτό το φαινόμενο επαφής-συμβατότητας θα μπορούσε πράγματι να αναγνωριστεί στις κλασικές προσομοιώσεις MD. 18 Πρόσφατα πειράματα μικροσκοπίας δύναμης τριβής σε ελεύθερο γραφένιο παρείχαν περαιτέρω στοιχεία για αυτό το σενάριο. 19

Οι πρόσφατοι υπολογισμοί λειτουργικής θεωρίας πυκνότητας (DFT) αποκάλυψαν ότι η προσκόλληση ενός μόνο στρώματος γραφένιου σε ένα μεταλλικό υπόστρωμα είναι ιδιαίτερα ευαίσθητο στην ηλεκτρονική δομή αυτού του υποστρώματος. Για παράδειγμα, το graphene δεσμεύεται πιο έντονα στο σίδηρο από ό, τι στον χαλκό, επειδή οι καταστάσεις D του σιδήρου, οι οποίες είναι μερικώς κατειλημμένες, επανεξεταστούν με π -τροχιακά του γραφένι. 20 Αυτές οι διαφορές έχουν άμεσο αντίκτυπο στη φυτική συμπεριφορά του γραφένιου στα δύο διαφορετικά υποστρώματα. 21,22

Σε αυτό το άρθρο, παρουσιάζουμε μια συνδυασμένη πειραματική και θεωρητική μελέτη της αλληλεπίδρασης μεταξύ μιας μονοστοιβάδας Graphene και της υποστήριξής της και της επίδρασης αυτής της αλληλεπίδρασης στην τριβή. Ως υποστηρίξεις για το γραφένιο, χρησιμοποιήσαμε καθαρό χαλκό και οξειδωμένο χαλκό και διαπιστώνουμε ότι οι δυνάμεις τριβής που βιώνουν το graphene σε αυτά τα στηρίγματα διαφέρουν κατά έναν παράγοντα 3 – μακράν η μεγαλύτερη αντίθεση τριβής που βρέθηκε στο graphene μέχρι σήμερα. Αυτή η διαφορά υπερβαίνει τη συνδυασμένη επίδραση της επαγόμενης από το φούσκωμα της αύξησης της περιοχής επαφής και της βελτίωσης της επιρροής της επαφής, που αναφέρεται παραπάνω και προτείνει τη συμβολή μιας ακόμη ισχυρότερης πηγής επιρροής στη δύναμη τριβής. Εφαρμόσαμε υπολογισμούς λειτουργικής θεωρίας πυκνότητας (DFT) για να αποκαλύψουμε ότι η φούσκα προκαλεί μια ανακατασκευή των δεσμών άνθρακα σε περιοχές λυγισμένου γραφένι ‘αντιδραστικός’. Συνεπώς, μια άκρη που ολισθαίνει σε μια τέτοια περιοχή βιώνει υψηλότερη πρόσφυση και τριβή.

Η μελέτη μας μπορεί να είναι σχετική στο πλαίσιο πιθανών εφαρμογών του γραφένιου ενός στρώματος σε ξηρές συρόμενες επαφές, ειδικά σε περιπτώσεις όπου μπορεί να απαιτείται τοπική λεπτή ρύθμιση των δυνάμεων τριβής, Ε, Ε.σολ. , σε συσκευές MEMS ή NEMS. 23,24

2. Αποτελέσματα και συζήτηση

2.1. Πειραματικά αποτελέσματα

Ξεκινάμε χαρακτηρίζοντας το πρόσφατα κατατεθειμένο σύστημα graphene-on-copper, που παρασκευάζεται όπως περιγράφεται στην ενότητα 3. Σύκο. 1 παρουσιάζει ένα τυπικό φάσμα Raman, που ελήφθη 10 ημέρες μετά την κατάθεση του γραφένιου. Η συμμετρική και αιχμηρή 2D-κορυφή στα 2727 cm -1 Επιβεβαιώνει ότι πρόκειται για ένα στρώμα γραφένιου, ενώ η απουσία αιχμής D στα 1350 cm -1 αποδεικνύει την απουσία κρυσταλλικών ελαττωμάτων εντός των κόκκων γραφένιου και πρέπει να ληφθεί ως υπογραφή της καλής ποιότητας του υλικού. 25,26 επίσης ο λόγος έντασης μεταξύ των αιχμών 2D-G, i 2δ/ ΕΓΩ σολ, Το οποίο είναι ελαφρώς μεγαλύτερο από την ενότητα, υποδεικνύει την παρουσία μόνο μονοστοιβάδας γραφένιου. Σημειώστε ότι αυτή η αναλογία εξαρτάται έντονα από την ενέργεια διέγερσης με λέιζερ και ότι είναι ευαίσθητη στις λεπτομέρειες της δέσμευσης μεταξύ του στρώματος γραφένιου και του υποστρώματος. 27 αποδείχθηκε ότι στην πράσινη περιοχή λέιζερ (ενέργεια διέγερσης 2.2 ÷ 2.4 eV) Η ένταση του προφίλ συντονισμού Raman γίνεται ισχυρότερη από ό, τι σε υψηλότερες ενέργειες (πάνω από 2.8 eV). Αυτό το αποτέλεσμα σχετίζεται με τη ζώνη φωτοφωταύγειας του υποστρώματος Cu. Στα πειράματά μας χρησιμοποιήσαμε ένα μήκος κύματος λέιζερ 514 nm, το οποίο αντιστοιχεί σε ενέργεια διέγερσης 2.41 eV. Το επίκτητο φάσμα είναι σε καλή συμφωνία με τη βιβλιογραφία. 25-27 για πληρότητα, αναφέρουμε ότι το φόντο της φωταύγειας από το υπόστρωμα χαλκού αφαιρέθηκε από το φάσμα στο σύκο. 1.

Σύκο. 1 Το φάσμα Raman ενός δείγματος γραφένιου που έχει αναπτυχθεί, 10 ημέρες μετά την ανάπτυξη του CVD του γραφένιου σε μια (111) μεμβράνη μεμβράνη στην (111) επιφάνεια του ζαφείρι. Οι κορυφές G- και 2D επισημαίνονται, όπως και η τοποθεσία όπου πρέπει να αναμένεται η θέση D, λόγω διαρθρωτικών ελαττωμάτων,. Το φάσμα υποδεικνύει ότι πρόκειται για ένα μόνο στρώμα γραφένιου σχετικά υψηλής δομικής ποιότητας, i.μι. , χαμηλή πυκνότητα ελαττώματος.

Εκτός από τα φάσματα Raman, επιθεωρήσαμε τα δείγματα graphene-on-copper με AFM, όπως απεικονίζεται από το σύκο. 2α. Τα ελαττώματα στα οποία έλειπαν το graphene σε τοπικό επίπεδο έχουν βρεθεί μερικές φορές. Σε αυτές τις τοποθεσίες, ήταν δυνατό να μετρηθεί το ύψος του overlay και επίσης αυτές οι μετρήσεις επαληθεύτηκαν πάντοτε τον χαρακτήρα μονής μονής στροφής του υλικού μας. Οι εικόνες οπτικής επιθεώρησης και AFM υποδεικνύουν ότι η μονοστοιβάδα του γραφένιου κάλυψε ολόκληρο το υπόστρωμα ομοιόμορφα και ότι το υπόστρωμα (συν graphene) ήταν σχετικά επίπεδη (± 10 nm).

Σύκο. 2 Εικόνες AFM και οπτική μικρογραφία μιας επιφάνειας χαλκού που καλύπτεται από γραφένιο. (α) Εικόνα AFM λίγες μέρες μετά την εναπόθεση γραφένιου και την επακόλουθη έκθεση στον αέρα. (β) Εικόνα AFM σχεδόν της ίδιας επιφανειακής περιοχής μετά από 2 μήνες πρόσθετης έκθεσης στον αέρα. Σημειώστε το δίκτυο προεξέχοντων γραμμών και νησιών, που σχετίζονται με την οξείδωση του υποκείμενου υποστρώματος χαλκού μέσω του GGBS. (γ) Οπτική μικρογραφία μιας διαφορετικής περιοχής της ίδιας επιφάνειας μετά από 2 μήνες έκθεσης στον αέρα, που δείχνει επίσης το δίκτυο των GGBs που διακόπτεται με οξείδιο. Η εικόνα δείχνει επίσης ένα CU GB. Σημειώστε ότι οι προσανατολισμοί των GGBs δεν φαίνεται να επηρεάζονται από τον προσανατολισμό του CU GB.

Μετά την εναπόθεση και τον αρχικό χαρακτηρισμό, τα δείγματα graphene-on-copper αποθηκεύτηκαν σε θερμοκρασία δωματίου σε αέρα σε σχετική υγρασία περίπου 50%, για συνολική διάρκεια δύο μηνών. Διαπιστώσαμε ότι όχι μόνο οι γυμνές επιφάνειες χαλκού άλλαξαν υπό την επήρεια της ατμόσφαιρας, αλλά και την επιφανειακή τοπογραφία των δειγμάτων του graphene-on-copper σιγά-σιγά εξελίχθηκαν. Αυτό μπορεί να αναγνωριστεί συγκρίνοντας την εικόνα AFM στο σύκο. 2b, που ελήφθη στο δείγμα που καλύπτεται από γραφένιο μετά από δύο μήνες έκθεσης στον αέρα, με το ‘φρέσκο’ ένα στο σύκο. 2Α και C δείχνουν μια οπτική μικρογραφία του ίδιου δείγματος που καλύπτεται από δύο μηνών,. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η εικόνα AFM στο σύκο. Το 2a είναι χαρακτηριστικό για το γραφένιο υψηλής ποιότητας σε σχετικά επίπεδη και ομαλή χαλκός. Δείχνει μια μέτρια παραλλαγή ύψους και ατομικό, ατομικά βήματα του υποστρώματος χαλκού μπορεί να διακριθεί. Εκτός από αυτά τα χαρακτηριστικά, το σύκο. Το 2b, το οποίο δείχνει σχεδόν την ίδια περιοχή, αποκαλύπτει ένα λεπτό δίκτυο προεξέχουσων γραμμών και νησιών. Συνήθως, τα ύψη αυτών των προεξοχών δεν υπερβαίνουν τα 5 nm. Η οπτική εικόνα του Σιγου. Το 2C δείχνει ένα παρόμοιο δίκτυο, γραμμές και νησιά όπου η οπτική αντίθεση έχει αλλάξει. Συνδέουμε αυτές τις αργές αλλαγές με την οξείδωση του υποστρώματος χαλκού, όπως θα τεκμηριωθεί περαιτέρω από τις μετρήσεις φασματοσκοπίας AFM και Raman, που συζητούνται παρακάτω. Το δομικά τέλειο graphene είναι αδιαπέραστο για οξυγόνο και δομικά ελαττώματα στο γραφένιο, όπως τα όρια των κόκκων του γραφένιου (GGBs), σχηματίζουν τις μόνες θέσεις όπου το οξυγόνο μπορεί να περάσει και. 28 Αυτό δημιουργεί μια αργή οξείδωση με περιορισμένη διάχυση του υποστρώματος χαλκού, που μπαίνει στο GGB και εξαπλώνεται προς τα πλάγια για να οξειδώσει τον χαλκό κάτω από το γραφένιο.

Για πληρότητα, αναφέρουμε ότι η οπτική εικόνα περιέχει επίσης ένα εκτεταμένο ελάττωμα που είναι σαφώς διαφορετικό σε σχήμα και αντίθετη από το GGB που διακόπτονται με οξείδιο. Το συσχετίζουμε με το φιλμ χαλκού και το ερμηνεύουμε ως όριο χαλκού (GB). Οι προσανατολισμοί των GGBs φαίνεται να μην εξαρτώνται από τον προσανατολισμό των βημάτων του χαλκού και του χαλκού GB (σύκο. 2C). Οι μαύρες κουκίδες, ορατές κυρίως στο χαλκό GB στην οπτική μικρογραφία (σύκα. 2C), είναι περιοχές χύδην οξειδίου του χαλκού που έχουν αυξηθεί σε ύψος πάνω από την επιφάνεια του δείγματος και δεν είναι ντυμένες με graphene πια. Τελειώνουμε αυτό από τις μετρήσεις Raman που πραγματοποιήθηκαν σε αυτές τις τοποθεσίες. Πιθανώς, αυτές οι περιοχές σχηματίζονται σε μέρη όπου η υψηλότερη πυκνότητα ελαττωμάτων, τόσο στο γραφένιο όσο και στον υποκείμενο χαλκό, επιτρέπει ένα σχετικά υψηλό ρυθμό οξείδωσης. 28

Προκειμένου να αποκτήσουμε άμεσα στοιχεία για την τοπική οξείδωση του υποστρώματος χαλκού, μετρήσαμε τα φάσματα Raman στις τροποποιημένες περιοχές, κοντά σε ένα GGB, και τα συγκρίθηκαν με φάσματα που ελήφθησαν στις μη τροποποιημένες περιοχές, σε αποστάσεις από τα πλησιέστερα GGBs τουλάχιστον 20 μm. Ένα παράδειγμα ενός φάσματος Raman σε μια προεξέχουσα περιοχή που διακοσμεί ένα GGB παρουσιάζεται ως το ανώτερο γράφημα στο σύκο. 3. Αυτό το φάσμα πρέπει να συγκριθεί με το χαμηλότερο γράφημα, που λαμβάνεται στο ίδιο δείγμα, σε μια περιοχή μακριά από τα GGB που φαίνεται ανεπηρέαστη από τους δύο μήνες έκθεσης στον αέρα. Οι τρεις κορυφές στο ανώτερο φάσμα στα 149, 218 και 653 cm -1 είναι η υπογραφή του Cu2O, 29 και υποστηρίζουμε την ερμηνεία μας ότι το υπόστρωμα χαλκού οξειδώνεται στη θέση της προεξοχής. Αυτές οι κορυφές απουσιάζουν στο χαμηλότερο φάσμα, σύμφωνα με την ιδέα ότι το γραφένιο προστατεύει το μεγαλύτερο μέρος του υποστρώματος χαλκού από την οξείδωση. Διαπιστώνουμε ότι στον οξειδωμένο χαλκό, οι και οι κορυφές G- και 2D του γραφένι. Τα G- και 2D είναι και τα δύο ‘ερυθρός’ Όσον αφορά τις αντίστοιχες κορυφές για ‘τακτικός’ Graphene σε μη τροποποιημένο χαλκό (σύκα. 1 και χαμηλότερο γράφημα στο σύκο. 3), από 1592 έως 1585 cm -1 για την αιχμή G, και από 2727 έως 2680 cm -1 για την αιχμή 2D. Προηγουμένως, μια παρόμοια κόκκινη μετατόπιση των χαρακτηριστικών κορυφών Raman αναφέρθηκε για δείγματα χαλκού επικαλυμμένα με γραφένιο τα οποία οξειδώθηκαν με σκοπό με υπεριώδη ακτινοβολία (UV) σε ατμόσφαιρα οξυγόνου. 28,30 Είναι ενδιαφέρον ότι μια κόκκινη μετατόπιση των χαρακτηριστικών κορυφών είναι γνωστό ότι προέρχεται από εφελκυστική πίεση στο γραφένιο. Στην περίπτωσή μας, υπάρχει ένας φυσικός λόγος για ένα τέτοιο στέλεχος ενόψει του αυξημένου όγκου κάτω από το γραφένιο λόγω της οξείδωσης του χαλκού. 30 χρησιμοποιώντας τις παρατηρήσεις του Ref. 31 Ως πλαίσιο αναφοράς μας, συσχετίζουμε τις κόκκινες μετατόπιση στο σύκο. 3 σε μια αλλαγή εφελκυσμού στο στέλεχος του γραφένου μεταξύ 0.5 και 1.5%. Υπάρχει επίσης μια αλλαγή στον λόγο έντασης των 2D- και G-PEAKS, η οποία ισούται με το i 2δ/ ΕΓΩ σολ = 2.3 Στον οξειδωμένο χαλκό (ανώτερο γράφημα στο σύκο. 3), η οποία είναι πολύ υψηλότερη από την αναλογία περίπου της ενότητας για μη οξειδωμένες περιοχές (CF. Σύκο. 1 και χαμηλότερο γράφημα στο σύκο. 3).

Σύκο. 3 Τα φάσματα Raman που ελήφθησαν με μήκος κύματος διέγερσης 514 nm σε δείγμα graphene-on-copper, αφού είχε εκτεθεί στον αέρα για 2 μήνες. (Ανώτερο φάσμα, κόκκινο) Μέτρηση σε μια προεξέχουσα περιοχή GGB. (Χαμηλότερο φάσμα, μαύρο) Μέτρηση αναφοράς πολύ μακριά από τα GGBS. Σημειώστε τις επιπλέον κορυφές στο ανώτερο φάσμα, στα 149, 218 και 653 cm -1, που σχετίζονται με Cu2Ο. Σημειώστε επίσης το ‘κόκκινες βάρδιες’ των α-και 2D-αιχμών στο οξειδωμένο υπόστρωμα και την απουσία αιχμής D στα 1350 cm -1 .

Παρά την αλλαγή του στελέχους, το φάσμα Raman στην οξειδωμένη περιοχή δεν περιείχε ανιχνεύσιμο α-κορυφαίο, δείχνοντας ότι η οξείδωση του υποστρώματος και η εσωτερική πίεση στον επικάλυψη του γραφένιου δεν συνοδεύονταν από δομικά ελαττώματα στο γραφένιο.

Χρησιμοποιώντας το AFM, μετρήσαμε την τοπική τοπογραφία και τη συμπεριφορά τριβής των δειγμάτων graphene-on-copper, τόσο πριν όσο και μετά την παρατεταμένη έκθεση στον αέρα. Σύκο. 4α και Β παρουσιάζουν συνδυασμό μετρήσεων ύψους και πλευρικής δύναμης σε 1.5 × 0.5 μm 2 περιοχή του εκτεθειμένου δείγματος, με επίκεντρο γύρω από μια περιοχή οξειδίου με GGB στη μέση. Το GGB τρέχει περίπου κάθετα στη μέση της εικόνας και ξεχωρίζει πιο καθαρά στον πλευρικό χάρτη δύναμης του πίνακα (C). Οι μετρήσεις AFM διεξήχθησαν σε περιβάλλον σε μια κανονική δύναμη F N στην περιοχή από 23.7 έως 33.0 nn, χρησιμοποιώντας ένα πρόβολο με κανονικό συντελεστή ελατηρίου 0.09 n m -1 και ένα πλευρικό συντελεστή ελατηρίου 38 n m -1 . Τα γραφήματα στο σύκο. 4α και Β δείχνουν τυπικό ύψος και πλευρικές καμπύλες δύναμης. Τραβήθηκαν κατά μήκος των λευκών διακεκομμένων γραμμών στις δύο αντίστοιχες εικόνες. Οι μετρήσεις ύψους δείχνουν ότι η περιοχή οξειδίου είναι υψηλότερες από τη γύρω, μη οξειδωμένη επιφάνεια κατά 2 έως 4 nm. Είναι ενδιαφέρον ότι οι μετρήσεις της πλευρικής δύναμης F μεγάλο Στο πλαίσιο (β) δείχνουν ότι η δύναμη τριβής που βιώνει η άκρη AFM στο graphene στον οξειδωμένο χαλκό είναι σημαντικά χαμηλότερη από εκείνη του μη οξειδωμένου χαλκού. Αυτό μπορεί να αναγνωριστεί από την αντίθεση στην εικόνα της δύναμης τριβής, το φωτεινότερο χρώμα που αντιστοιχεί σε χαμηλότερη απόλυτη τιμή της πλευρικής δύναμης και από τις αλλαγές τόσο στις καμπύλες ιχνοστοιχείων όσο και στις καμπύλες επανεκκίνησης στο αντίστοιχο γράφημα πλευρικής δύναμης, την απόλυτη τιμή για την πλευρική δύναμη και για τις δύο καμπύλες να είναι ελάχιστες σε σχέση. Σημειώστε ότι παρατηρείται ένα τοπικό μέγιστο στην πλευρική δύναμη σε ολόκληρο το GGB (σύκα. 4β).

Σύκο. 4 Ποσοτική σύγκριση των ιδιοτήτων τριβής του γραφένιου σε χαλκό και γραφένιο στο Cu2Ο. (α) Κανονική εικόνα ύψους AFM, μεγεθυνθεί σε 1.5 × 0.5 μm 2 περιοχή του δείγματος χαλκού που καλύπτεται από γραφένιο με οξειδωμένη περιοχή στο κέντρο, σε συνδυασμό με ένα μόνο προφίλ ύψους που λαμβάνεται κατά μήκος της διακεκομμένης γραμμής στην εικόνα. (β) Εικόνα πλευρικής δύναμης της ίδιας περιοχής, που λαμβάνεται στην κατεύθυνση Retrace (δεξιά προς τα αριστερά) σε μια κανονική δύναμη του FN = 23.7 nn, σε συνδυασμό με δύο προφίλ πλευρικής δύναμης, που λαμβάνονται στις κατευθύνσεις ιχνοστοιχείων και ανάκτησης κατά μήκος της διακεκομμένης γραμμής στην εικόνα (ίδια θέση με τη διακεκομμένη γραμμή στο (a)). (γ) Εξάρτηση της (απόλυτης τιμής της) πλευρικής δύναμης στην κανονική δύναμη για το γραφένιο στον χαλκό και για το graphene στο Cu2O, μετρούμενη κατά μήκος της ίδιας διακεκομμένης γραμμής σε (α) και (β). Οι πλαγιές υποδεικνύουν τον συντελεστή τριβής.

Πρόσθετες ενδείξεις για τις διαφορές στη συμπεριφορά τριβής μεταξύ των οξειδωμένων και των μη οξειδωμένων περιοχών προέρχονται από μετρήσεις της πλευρικής δύναμης ως συνάρτηση της κανονικής δύναμης, που φαίνεται στο σύκο. 4C. Και για τις οξειδωμένες και τις μη οξειδωμένες περιοχές, οι πλευρικές δυνάμεις, που σχεδιάστηκαν στο σύκο. 4C, υπολογίστηκαν ως η μέση πλευρική δύναμη σε μετρήσεις όπως αυτές στο ΣΧ. 4b, πάνω από περιοχές που δεν ήταν ούτε κοντά στις μεταβάσεις μεταξύ χαλκού και οξειδίου ούτε κοντά σε άλλα σημαντικά τοπογραφικά χαρακτηριστικά που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε αντικείμενα στη μετρούμενη πλευρική δύναμη. Τα περιθώρια σφάλματος στο σύκο. Το 4C υποδεικνύει τις τυπικές αποκλίσεις στους μετρημένους μέσους όρους, τα περιθώρια σφάλματος στα δεδομένα για τις οξειδωμένες περιοχές (κόκκινα τετράγωνα) που πέφτουν ακριβώς μέσα στο μέγεθος του συμβόλου.

Από σύκο. 4C, αναγνωρίζουμε ότι όχι μόνο η δύναμη τριβής είναι χαμηλότερη στις οξειδωμένες περιοχές, αλλά και ο συντελεστής τριβής, i.μι. , η κλίση μ = df μεγάλο/ df N. Αυτό μπορεί να φανεί απευθείας από τις δύο γραμμικές ταιριάζει στο σύκο. 4C. Βρίσκουμε μ βόδι = 0.034 ± 0.02 για την τριβή σε γραφένιο σε οξειδωμένο χαλκό και μ άξονας = 0.093 ± 0.02 για την τριβή στο graphene σε γυμνό χαλκό.

2.2. Puckering ως ποιοτική ερμηνεία

Προτάθηκε προηγουμένως ότι η πλευρική μετατόπιση της άκρης που ολισθαίνει πάνω από το γραφένιο μπορεί να κάνει το graphene τοπικά να σηκωθεί από το υπόστρωμα, σχηματίζοντας μια διόγκωση μπροστά από την άκρη, όταν η αλληλεπίδραση TIP με το graphene είναι αρκετά ισχυρή σε σχέση. Οι συστηματικές μελέτες AFM για διαφορετικά στρώματα έδειξαν ότι αυτή η κούκλα είναι ένα παγκόσμιο φαινόμενο για ασθενώς προσκολλημένη ή ελεύθερα ανασταλμένα υλικά. 3,8,15,32,33 με τη σειρά του, καταστέλλεται για έντονα προσκολλημένα υποστρώματα. 15

Εφέρτουμε το πειραματικό μας εύρημα ότι η τριβή είναι χαμηλή στον οξειδωμένο χαλκό ως συνέπεια της μείωσης της επίδρασης του πύργου στο Cu2O σε σχέση με τον μη οξειδωμένο χαλκό. Το graphene έχει αποδειχθεί ότι παρουσιάζει ισχυρή προσκόλληση σε άλλα οξείδια, AL2Ο3 και SI2O, σχεδόν εξίσου ισχυρή με αυτό στο Fe. 21 Καθώς η πρόσφυση είναι γνωστό ότι αυξάνεται με αυξανόμενη διηλεκτρική σταθερά του υποστρώματος και την τιμή του ε CU2Ο = 18.1 για Cu2O είναι πολύ υψηλότερο από αυτό για το SI2O του ε Σι2Ο = 3.5, 34 Θα μπορούσαμε να περιμένουμε ότι η πρόσφυση του γραφένιου θα είναι ακόμη ισχυρότερη στο Cu2O από το SI2Ο.

Στην επόμενη ενότητα χρησιμοποιούμε υπολογισμούς DFT για να διερευνήσουμε εάν η πρόσφυση μεταξύ γραφένιου και Cu2O διαφέρει αρκετά από αυτό μεταξύ του γραφένιου και του γυμνού χαλκού για να υποστηρίξει την ιδέα ότι η κηλίδα καταστέλλεται από την οξείδωση του υποστρώματος. Και δεύτερον, στοχεύουμε στην εξήγηση γιατί αυτή η καταστολή του puckering συνοδεύεται από μια τέτοια συνεπή μείωση της τριβής.

Εκτός από την αύξηση της προσκόλλησης του graphene-υποβρύχιο, μπορούμε να φανταστούμε δύο περαιτέρω συνεισφορές στη μειωμένη διαδρομή του γραφένιου στο οξείδιο. Το πρώτο είναι ότι η υψηλότερη τραχύτητα του υποστρώματος μπορεί να μειώσει την πρόσφυση μεταξύ του άκρου και του γραφένιου και έτσι καταστέλλει το φαινόμενο μεταξύ τους. 35 Μετρήσαμε μια τραχύτητα RMS για το graphene στο Cu2O 0.7 nm, πράγματι υψηλότερη από την τραχύτητα του 0.4 nm για graphene σε γυμνό χαλκό. Το στρώμα γραφένιου σε γυμνό χαλκό παρουσιάζει υψηλότερη φούσκα από ό, τι στον οξειδωμένο χαλκό, ακόμα και αν το τελευταίο υπόστρωμα είναι ελαφρώς σκληρό. Αυτό το αντίθετο-διαισθητικό αποτέλεσμα εξηγείται από το διαφορετικό επίπεδο προσκόλλησης που εκτιμάται με υπολογισμούς DFT, γεγονός που καθιστά πολύ πιο εύκολο για το graphene να παραμορφώσει την παραμόρφωση εκτός επιπέδου πολύ πιο εύκολη στο ασθενώς προσκολλημένο υπόστρωμα. Το δεύτερο είναι ότι η αύξηση του όγκου λόγω της τοπικής οξείδωσης του υποστρώματος εισάγει την τάση εφελκυσμού στον επικάλυψη του γραφένι. Καμία από αυτές τις επιπλέον συνεισφορές δεν αναμένεται να είναι επαρκής για να εξηγήσει τη δραματική μείωση της τριβής.

2.3. Υπολογισμοί DFT

Οι βελτιστοποιημένες δομές του graphene που προσροφάται στα τέσσερα εξεταζόμενα υποστρώματα παρουσιάζονται στο ΣΧ. 5, μαζί με τις υπολογιζόμενες ενέργειες δέσμευσης, Ε σι και αποστάσεις, Δ . Το αποτέλεσμα για το graphene στο γυμνό χαλκό, το οποίο πέφτει στο τυπικό εύρος αλληλεπιδράσεων φυσικοποίησης, συμφωνεί με προηγούμενους θεωρητικούς υπολογισμούς. 36-38 Δεν γνωρίζουμε προηγούμενους θεωρητικούς υπολογισμούς προσρόφησης γραφένιου στο οξείδιο του χαλκού. Οι υπολογισμοί μας αποκαλύπτουν ότι η οξείδωση του χαλκού οδηγεί σε αύξηση της προσκόλλησης του γραφένιου στο υπόστρωμα. Αυτό το αποτέλεσμα, το οποίο είναι ανεξάρτητο από τον επιφανειακό προσανατολισμό του οξειδίου, μπορεί να εξηγηθεί λαμβάνοντας υπόψη την διαφορετική αντιδραστικότητα των ατόμων Cu στα καθαρά και οξειδωμένα δείγματα: τα άτομα Cu της στοιχειώδους υποστρώματος έχουν πλήρως κατειλημμένα d τροχιακά και είναι λιγότερο αντιδραστικά όταν εκτίθενται στην επιφάνεια από τα άτομα Cu στις επιφάνειες των τριών οξείδων, όπου τα υποκείμενα, τα άτομα που βρίσκονται κάτω από την αλληλεπίδραση με την αλληλεπίδραση με το οξυγόνο, τα αποτελέσματα, τα αποτελέσματα, τα οποία αναδημιουργούν το ONCODINITION. τοποθεσίες στην επιφάνεια που είναι πιο αντιδραστικές. 39 στο Cu2O (111) Το υπόστρωμα, ειδικότερα, τα υπο-συντονισμένα άτομα χαλκού τείνουν να σχηματίζουν χημικούς δεσμούς με τα άτομα άνθρακα παραπάνω, τα οποία εισάγουν μικρές παραμορφώσεις εκτός επιπέδου στο στρώμα γραφένι.

Σύκο. 5 Αποτελέσματα DFT για τις γεωμετρίες, τις ενέργειες δέσμευσης, Ε σι και αποστάσεις συγκόλλησης, d για graphene στο (α) Cu (111), (β) Cu2O (100): Cu, (C) Cu2O (100): o και (d) cu2O (111).

Τα αποτελέσματα που αναφέρονται στο σύκο. 5 υπολογίστηκαν στην προσέγγιση LDA. Εκείνοι που λαμβάνονται χρησιμοποιώντας άλλες λειτουργίες ανταλλαγής, συμπεριλαμβανομένων των αλληλεπιδράσεων van der Waals, αναφέρονται στο ESI.† Είναι σημαντικό ότι η τάση που παρατηρείται για τη δέσμευση γραφένιου στα διάφορα υποστρώματα είναι κοινή σε όλες τις εξεταζόμενες λειτουργίες.

Η διαφορά στις ενέργειες δέσμευσης που αποκάλυψαν οι υπολογισμοί μας για το graphene σε στοιχειακό και οξειδωμένο Cu, μπορεί να σχετίζεται με τη διαφορά στις ιδιότητες τριβής που παρατηρούνται στα πειράματά μας. Συγκεκριμένα, θα πρέπει να αναμένουμε ότι η αύξηση της ενέργειας δέσμευσης που εμφανίζεται στην οξείδωση του υποστρώματος Cu καταστέλλει το φαινόμενο με το φούσκα. Πράγματι, όπως προτάθηκε για να εξηγηθεί η διαφορετική συμπεριφορά τριβής των πολυστρωματικών ταινιών γραφένιου σε διαφορετικά υποστρώματα, 15 Η μείωση του graphene puckering έχει ως αποτέλεσμα μείωση τριβής. Εδώ, θα επιθεωρήσουμε τη σχέση ανάμεσα σε περαιτέρω λεπτομέρειες της σχέσης μεταξύ της τριβής και της τριβής. Όπως αναφέρθηκε στην εισαγωγή, προτάθηκαν δύο κύριες υποθέσεις σε αυτό το πλαίσιο, δηλαδή την αύξηση της περιοχής επαφής που προκλήθηκε από το σχηματισμό μιας διόγκωσης μπροστά από την άκρη και την αύξηση της συναμικτωτικότητας μεταξύ του άκρου και του γραφένι. Φαίνεται μη ρεαλιστικό ότι οποιαδήποτε από αυτές τις επιδράσεις ή ακόμα και ένας συνδυασμός των δύο θα μπορούσε να οδηγήσει στην παρατηρούμενη μείωση της τριβής από σχεδόν έναν παράγοντα τρία.

Εδώ εισάγουμε μια νέα εξήγηση, βασισμένη στην ανάλυση της χημικής αντιδραστικότητας του γραφένιου ως συνάρτηση της καμπυλότητας του. Συγκεκριμένα, προτείνουμε ότι το graphene puckering συνοδεύεται από μια αλλαγή στον υβριδισμό των ατόμων άνθρακα από το SP 2 στο SP 3 -όπως, με μια αντίστοιχη αύξηση της αντιδραστικότητας λόγω της εμφάνισης των δεσμών που κρέμονται. Αυτή η υπόθεση συμφωνεί με την παρατήρηση ότι τα μόρια του νερού διαχωριστικά χημειορίκ σε καμπύλες περιοχές γραφένι. 40

Για να επαληθεύσουμε αυτήν την υπόθεση, υπολογίζουμε την επίδραση διαφόρων καμπυλών στην επιφανειακή ενέργεια του ελεύθερου γραφένιου. Όπως φαίνεται στο σύκο. 6b, όπου η θεωρημένη καμπυλότητα είναι η ίδια με αυτή του σύκου. 5D, μια μικρή παραμόρφωση εκτός επιπέδου, που προκαλείται από την αλληλεπίδραση με το CU2O (111) Υπόστρωμα, δεν έχει ως αποτέλεσμα σημαντική αύξηση της επιφανειακής ενέργειας σε σχέση με το επίπεδο graphene (Εικ. 6α). Αντίθετα, το αναγκασμένο 0.3 nm puckering στο σύκο. Το 6C συνοδεύεται από μια τεράστια αύξηση της επιφανειακής ενέργειας κατά 4 Jm -2 . Η καμπύλη δομή του γραφένιου του Σιγ. 6c ελήφθη με δομική βελτιστοποίηση ενός ελεύθερου συστήματος γραφένιου που αποτελείται από 50 άτομα άνθρακα σε ένα υπερπολλητικό κύτταρο του οποίου η περιοχή στο επίπεδο έγινε σκόπιμα 19% μικρότερο από το μέγεθος της ισορροπίας. Παρόλο που αυτή η εξαιρετικά τεντωμένη κατάσταση πρέπει να θεωρείται ως υπερβολή σε σχέση με τις τυπικές διαμορφώσεις που θα πρέπει να αναμένονται στην περίπτωση της επαγόμενης από την άκρη που προκαλείται από την άκρη, το παράδειγμα του Εικόν. Το 6C είναι χρήσιμο για να τονίσει την τεράστια αύξηση της ενέργειας που εισάγεται στο graphene από την παραμόρφωση του puckering.

Σύκο. 6 Αποτελέσματα DFT για τις γεωμετρίες, τις επιφανειακές ενέργειες και τις παραμορφώσεις εκτός επιπέδου του γραφένιου με τρεις διαφορετικές καμπύλες. (α) επίπεδη, ελεύθερο γραφένιο, (β) ελαφρώς καμπύλο γραφένιο στο Cu2O (111) και (γ) ελεύθερο graphene με ισχυρή καμπυλότητα, που επιβάλλεται από 19% πλευρική συμπίεση. Οι επιφανειακές ενέργειες εκφράζονται ως η διαφορά σε σχέση με την τιμή για το ελεύθερο στρώμα γραφένιου.

Η αύξηση της ενέργειας και, ως εκ τούτου, στην αντιδραστικότητα του graphene προέρχεται από την ανακατανομή του ηλεκτρονικού φορτίου εντός του δικτύου άνθρακα. Για να απεικονιστούν αυτό το αποτέλεσμα, υπολογίσαμε τις αναδιατάξεις φορτίου που εμφανίζονται για επίπεδη και πικάντικα στρώματα γραφένι. Όπως φαίνεται στο σύκο. 7, η αλληλεπίδραση άνθρακα -άνθρακα προκαλεί συσσώρευση φορτίου (με κόκκινο χρώμα) κατά μήκος των δεσμών γραφένιου και μια αντίστοιχη εξάντληση (σε μπλε) από άλλες περιοχές μεταξύ των ατόμων, Ε, Ε.σολ. , από το κέντρο των δακτυλίων γραφένιου, όπου οι κατανομές πυκνότητας ηλεκτρονίων των αρχικά μη αλληλεπιδρώντων ατόμων επικαλύπτονται. Συγκρίνοντας τις κορυφαίες και πλευρικές προβολές στο σύκο. 7b και D για την δομή με τις αντίστοιχες προβολές στο σύκο. 7Α και C για την επίπεδη διάταξη, αναγνωρίζουμε ότι οι δεσμοί κατά μήκος των πλαγιών του καμπύλου γραφένιου περιέχουν μεγαλύτερη ποσότητα φορτίου από εκείνες του επίπεδου γραφένιου και ότι μια μεγαλύτερη εξάντληση φορτίου συμβαίνει πάνω και κάτω από αυτά τα άτομα, υποδεικνύοντας ότι τα τροχιά P έχουν εξαφανιστεί και η υβριδοποίηση δεν μπορεί πλέον να θεωρηθεί ως SP ως SP ως SP, 2 . Αυτή η αλλαγή στις ηλεκτρονικές πυκνότητες αντανακλάται επίσης στο σύκο. 8 Στη δομή της ζώνης του καμπύλου γραφένιου, στο οποίο ανοίγει ένα κενό στο σημείο k που παραμορφώνει τους κώνους dirac και αφαιρεί το σημείο dirac, τα δύο καθοριστικά χαρακτηριστικά στη δομή της ζώνης του Flat Graphene.

Σύκο. 7 Αποτελέσματα DFT για την ανακατανομή ηλεκτρονικού φορτίου, όταν είναι οι αλληλεπιδράσεις ‘διακόπτης’ Στο μεταξύ των ατόμων άνθρακα σε επίπεδη γραφένιο (πάνελ Α και γ) και σε puckered graphene (Πάνελ Β και Δ). Τα κόκκινα και τα μπλε χρώματα υποδεικνύουν τη συσσώρευση και την εξάντληση της πυκνότητας ηλεκτρονίων, αντίστοιχα. Ενώ η ανακατανομή για το επίπεδο στρώμα είναι ενδεικτική για το SP 2 Η συγκόλληση στο δίκτυο Graphene, η εξάντληση της φόρτισης στα κέντρα των εξαγωνικών δακτυλίων είναι ενδεικτική της απώλειας των τροχιών και της τοπικής μετάβασης από ένα SP 2 σε ένα SP 3 διαμόρφωση.
Σύκο. 8 Ηλεκτρονική δομή ζώνης για επίπεδη (μαύρη) και puckered (κόκκινο) graphene, κατά μήκος τριών κατευθύνσεων υψηλής συμμετρίας στην πρώτη ζώνη Brillouin του γραφένιου. Εκτός από τις μεταβολές που προκαλούνται από την παραμόρφωση στις ακριβείς ιδιοργαργίες, το γράφημα δείχνει ότι η κούκλα του γραφένιου οδηγεί σε μια βαριά παραμόρφωση των χαρακτηριστικών κώνων dirac γύρω από το σημείο k και το συνοδευτικό άνοιγμα ενός σημαντικού ενεργειακού χάσματος αντί των σημείων dirac του επίπεδου γραφένιου. Αυτές οι αλλαγές στη δομή της ζώνης αντικατοπτρίζονται στις αλλαγές στην κατανομή της πυκνότητας φορτίου. 7 και η ενισχυμένη αντιδραστικότητα του καμπύλου γραφένιου.

Η υψηλότερη αντιδραστικότητα του καμπύλου graphene δεν είναι μια νέα ιδέα στη βιβλιογραφία: αυτό το σύστημα έχει ήδη προταθεί ως αποτελεσματική διαμόρφωση για την αποθήκευση υδρογόνου. 41,42 Ως περαιτέρω απόδειξη της αυξημένης αντιδραστικότητάς του, παρουσιάζουμε στο ESI † ότι η ενέργεια προσρόφησης των μορίων υδρογόνου σε επίπεδη γραφένιο (+0.91 eV ανά h2 μόριο) είναι αρκετά διαφορετικό από αυτό στο καμπύλο graphene (-0.36 eV ανά h2 μόριο) και σίγουρα περισσότερο υπέρ του τελευταίου. Επομένως, οι υπολογισμοί και τα πειραματικά δεδομένα μας υποδεικνύουν μια νέα υπόθεση σχετικά με το φαινόμενο που υπάρχει στα πειράματα νανοτρολογίας. Αντί να αυξήσουμε την περιοχή επαφής μεταξύ του άκρου και του υποστρώματος, προτείνουμε ότι είναι η αυξημένη μεταφορά φορτίου καμπυλωμένου γραφένιου που οδηγεί σε αυξημένη αντιδραστικότητα που μπορεί να εξηγήσει τη μεγαλύτερη τριβή μεταξύ του άκρου και του δείγματος που παρατηρεί.

3. Συμπεράσματα

Με βάση τη συνδυασμένη πειραματική και θεωρητική μελέτη μας, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι η τοπική οξείδωση του υποστρώματος Cu κάτω από μια μονοστιβάδα του γραφένιου οδηγεί σε σημαντική αύξηση της προσκόλλησης του γραφένιου στο υπόστρωμα και σύμφωνα με τη μείωση του φαινόμενου. Η συνοδευτική μείωση της μετρημένης δύναμης τριβής είναι τόσο μεγάλη που δεν μπορεί να αποδοθεί αποκλειστικά στις μεταβολές της περιοχής επαφής ή της τοπικής συνακόλουθης. Καθώς η κυρίαρχη συμβολή στη μεγάλη διαφορά στην τριβή προσδιορίζουμε την αλλαγή στην ηλεκτρονική δομή που εισάγουν τοπικά τις καμπύλες στο puckered graphene και τις αντίστοιχες αλλαγές στην αντιδραστικότητα και, συνεπώς, την προσκόλληση και την τριβή μεταξύ του γραφένιου και της άκρης του μικροσκοπίου δύναμης τριβής τριβής. Δεδομένου ότι η γεωμετρία σε αυτά τα πειράματα μονής ασθένειας μπορεί να είναι παρόμοια με τις τοπικές διαμορφώσεις σε εκτεταμένες, ξηρές επαφές που λιπαίνονται από μία μόνο μονοστιβάδα του γραφένι. Αυτό θα πρέπει να έχει σημασία στο πλαίσιο των προηγμένων συσκευών MEMS και NEMS όπου εφαρμόζεται ή εξετάζεται λίπανση γραφένιου.

4. Υλικά και μέθοδοι

4.1. Πειραματικός

Για τα πειράματά μας, χρησιμοποιήσαμε δείγματα γραφένιου υψηλής ποιότητας, μονής μονής μονής μονής μονής μονής μονής μονής μονής μονής μονής μονής μονής μονής μονής μονής μονής μονής μονής μονής μονής μονής μονής μονής μονής από να νανοφυλλάδια Β.V. (ANL). 43 Το γραφένιο αναπτύχθηκε με χημική εναπόθεση ατμών (CVD) σε λεπτές πολυκρυσταλλικές μεμβράνες χαλκού. Αυτές οι μεμβράνες χαλκού σχηματίστηκαν με εναπόθεση χαλκού σε ζαφείρι (111) (διάμετρο 51 mm, πάχος 750 μm). Το πάχος της μεμβράνης χαλκού ήταν 1 μm. Οι κόκκοι χαλκού στην ταινία έδειξαν ισχυρή προτίμηση για τον (111) επιφανειακό προσανατολισμό. Τα δείγματα graphene-on-copper επιθεωρήθηκαν σε διάφορα στάδια του πειράματος με οπτική μικροσκοπία και με φασματοσκοπία Renishaw Raman με μήκος κύματος διέγερσης 514 nm. Αυτές οι μετρήσεις φασματοσκοπίας Raman διεξήχθησαν με μέγεθος σημείου περίπου 1 μm που θα μπορούσε να εντοπιστεί σε σχέση με τα χαρακτηριστικά των εικόνων οπτικής μικροσκοπίας με ακρίβεια αρκετών μικρομέτρων. Πιο ακριβείς μετρήσεις τοπογραφίας και μετρήσεις πλευρικής δύναμης έγιναν με ένα εικονίδιο Bruker AFM, χρησιμοποιώντας ανιχνευτές SI3N4 σχήματος V (DNP-10). Η κανονική και η πλευρική βαθμονόμηση δύναμης πραγματοποιήθηκε σύμφωνα με τη μέθοδο που συζητήθηκε στο Ref. 44 και 45.

4.2. Θεωρητικός

Πραγματοποιήσαμε υπολογισμούς λειτουργικής θεωρίας πυκνότητας (DFT) εντός του σχήματος επίπεδων κυμάτων/ψευδοπωτικών, 46 λαμβάνοντας υπόψη τις διαφορετικές προσεγγίσεις για τη λειτουργική συναλλαγματική συσχέτιση, δηλαδή την προσέγγιση της τοπικής πυκνότητας (LDA). Το τελευταίο περιλαμβάνει αλληλεπιδράσεις van-der-waals μέσα στην ημι-εμπειρική προσέγγιση που προτάθηκε από τον Grimme. 48

Μελετήσαμε προσρόφηση γραφένιου τόσο σε χαλκό όσο και σε οξείδιο του χαλκού. Στην περίπτωση του χαλκού, θεωρήσαμε την (111) επιφάνεια, ως την πιο σταθερή επιφάνεια αυτού του υλικού και το προτιμώμενο, όπως βρέθηκε στα πειράματα, ενώ για Cu2O Θεωρήσαμε τρεις διαφορετικούς επιφανειακούς προσανατολισμούς, προκειμένου να αναλύσουμε τις επιδράσεις διαφορετικών επιφανειακών στοιχειομετρικών. Συγκεκριμένα, θεωρήσαμε το CU2O (100): επιφάνεια Cu, τερματίζοντας με στρώμα χαλκού. το CU2O (100): o επιφάνεια, τερματίζοντας με στρώμα οξυγόνου και το Cu2O (111) Επιφάνεια, τερματίζοντας με ένα στρώμα που περιέχει τόσο χαλκό όσο και οξυγόνο στην στοιχειομετρική αναλογία 2: 1. Οι σχετικές σταθερότητες αυτών των επιφανειών αλλάζουν ως συνάρτηση του χημικού δυναμικού του οξυγόνου. 39

Η προσρόφηση γραφένιου σε αυτά τα υποστρώματα οξειδίου του χαλκού και του χαλκού μελετήθηκε χρησιμοποιώντας περιοδικά υπερκύνους που περιείχαν πλάκα υποστρώματος και περιοχή κενού 1 nm και 1.Πάχος 5 nm, αντίστοιχα. Το μέγεθος του επιπέδου των supercells επιλέχθηκε σύμφωνα με την αναντιστοιχία πλέγματος μεταξύ του στρώματος γραφένιο και του υποστρώματος: το κύτταρο (1 × 1) χρησιμοποιήθηκε για Cu (111), ένα (3 × 3) κύτταρο για Cu2O (100) και ένα (2 × 2) κύτταρο για το cu2O (111) επιφάνεια. Για όλα τα εξεταζόμενα συστήματα, η υπολειμματική αναντιστοιχία πλέγματος μεταξύ γραφένιο και υποστρώματα ήταν περίπου 2.5%. Υπολογίζουμε την ενέργεια δέσμευσης γραφένιου σε ένα υπόστρωμα ως Ε σι = (Eυπόστρωμα + μι παλαμάκι E μικρό παιδί)/ A, όπου a είναι η περιοχή στο επίπεδο του θεωρούμενου supercell, e υπόστρωμα Ε παλαμάκι) είναι η συνολική ενέργεια ενός supercell που περιέχει το απομονωμένο υπόστρωμα (graphene) και Ε μικρό παιδί είναι η συνολική ενέργεια του ίδιου supercell που περιέχει το προσροφημένο graphene στο εξεταζόμενο υπόστρωμα. Περαιτέρω υπολογιστικές λεπτομέρειες αναφέρονται στο ESI, † μαζί με τα αποτελέσματα σχετικά με τις χύδην δομές.

Συνεισφορές συγγραφέων

Π. V. Antonov: Διερεύνηση, διεξαγωγή πειραματικών εργασιών, γραφής-προορισμού. Π. RESTUCCIA: Διερεύνηση, Εκτέλεση θεωρητικών υπολογισμών, επισκόπηση και επεξεργασία γραφής. Μ. ντο. Righi: Conceptualization του θεωρητικού έργου, εποπτείας, γραφής-αναθεώρηση & επεξεργασία. J. W. Μ. Frenken: Conceptualization του πειραματικού έργου, εποπτείας, γραφής-αναθεώρηση & επεξεργασία.

Συγκρούσεις συμφερόντων

Οι συγγραφείς δηλώνουν ότι δεν έχουν γνωστά ανταγωνιστικά οικονομικά συμφέροντα ή προσωπικές σχέσεις που θα μπορούσαν να φαινόταν να επηρεάζουν το έργο που αναφέρθηκε σε αυτό το έγγραφο.

Ευχαριστίες

Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν στο ARCNL, μια εταιρική σχέση δημόσιου-ιδιωτικού τομέα του Πανεπιστημίου του Άμστερνταμ (UVA), του Πανεπιστημίου VU Amsterdam, του Ολλανδικού Συμβουλίου Έρευνας (NWO) και του κατασκευαστή εξοπλισμού Semiconductor ASML ASML. Τα θεωρητικά αποτελέσματα αποτελούν μέρος του έργου Slide που έχει λάβει χρηματοδότηση από το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας (ERC) στο πλαίσιο του προγράμματος έρευνας και καινοτομίας της Ευρωπαϊκής Ένωσης 2020. (Συμφωνία επιχορήγησης όχι. 865633).

βιβλιογραφικές αναφορές

  1. ντο. Lee, x. Wei, J. W. Kysar και J. Hone, Science, 2008, 321, 385 CrossRefcaspubMed.
  2. Ο. Penkov, Η.-J. Κιμ, Η.-J. Κιμ και Δ.-μι. Kim, int. J. Περίληψη. Μειονέκτημα. Κατασκευάζω. , 2014, 15, 577-585 CrossRef.
  3. Π. Egberts, G. H. Χαν, Χ. Z. Liu, α. Τ. ντο. Johnson και R. W. Carpick, ACS Nano, 2014, 8, 5010 CrossRefcaspubMed.
  4. ΕΝΑ. J. Marsden, m. Phillips και n. R. Wilson, Nanotechnology, 2013, 24, 255704 CrossRefcaspubMed.
  5. J. μικρό. Choi, J.-μικρό. Κιμ, εγώ.-μικρό. Byun, Δ. H. Lee, M. J. Lee, β. H. Πάρκο, γ. Λι, Δ. Yoon, h. Cheong, k. H. Λι, Υ.-W. Γιος, j. Y. Πάρκο και Μ. Salmeron, Science, 2011, 333, 607 CrossRefcaspubMed.
  6. Τ. Demirbaş και m. Z. Baykara, j. Μητήρ. Ερυθρός. , 2016, 31, 1914 CrossRef.
  7. H. Lee, n. Λι, Υ. Seo, J. EOM και S. Lee, Nanotechnology, 2009, 20, 325701 CrossRefpubMed.
  8. Τ. Πιάτο, j. μεγάλο. McChesney, α. Bostwick, e. Rotenberg, k. V. Emtsev, t. Seyller, k. Κέρατο και r. Bennewitz, Phys. Στροφή μηχανής. κάτοικος της Λατβίας. , 2009, 102, 086102 CrossRefcaspubMed.
  9. Z. Deng, α. Smolyanitsky, q. Li, F. Xi-Qiao και R. J. Cannara, Nat. Μητήρ. , 2012, 11, 1032 CrossRefcaspubMed.
  10. ρε. Marchetto, t. Feser και m. Dienwiebel, τριβή, 2015, 3, 161 CrossRefcas.
  11. ρε. Marchetto, γ. Κρατήθηκε, στ. Hausen, F. Wählisch, m. Dienwiebel και r. Bennewitz, Tribol. κάτοικος της Λατβίας. , 2012, 48, 77 CrossRefcas.
  12. κ.-μικρό. Κιμ, Η.-J. Lee, γ. Lee, S.-κ. Λι, Η. Jang, j.-H. Ahn, j.-H. Κιμ και Η.-J. Lee, ACS Nano, 2011, 5, 5107 CrossRefcaspubMed.
  13. ρε. Berman, α. Ερδιμίρ και α. V. Sumant, ACS Nano, 2018, 12, 2122-2137 CrossRefcaspubMed.
  14. Μ. Schulzendorf, α. Hinaut, m. Kisiel, r. Jöhr, r. Pawlak, σ. Restuccia, e. Meyer, M. ντο. Righi και t. Glatzel, ACS Nano, 2019, 13, 5485 CrossRefcaspubMed.
  15. ντο. Lee, Q. Λι, W. Kalb, x.-Z. Liu, h. Berger, r. W. Carpick και J. Hone, Science, 2010, 328, 76 CrossRefcaspubMed.
  16. Z. Ye, γ. Τάνγκ, Υ. Dong και α. Martini, J. Αρμώνω. Φυσιολογία. , 2012, 112, 116102 CrossRef.
  17. Q. Λι, γ, γ. Lee, r. W. Carpick και J. Hone, Phys. Κατάσταση Solidi B, 2010, 247, 2909 CrossRefcas.
  18. μικρό. Λι, Q. Li, r. W. Carpick, σ. Gumbsch, x. Z. Liu, x. Ding, j. Ήλιος και j. Li, Nature, 2016, 539, 541 CrossRefcaspubMed.
  19. μικρό. Zhang, y. Hou, s. Li, l. Liu, z. Zhang, x.-Q. Feng και Q. Λι, Proc. Γέφυρας. Ακαδημαϊκός. Σκί. U. μικρό. ΕΝΑ. , 2019, 116, 24452 CrossRefcaspubMed.
  20. N. ΕΝΑ. Vinogradov, α. ΕΝΑ. Zakharov, V. Kocevski, J. Rusz, k. ΕΝΑ. Σίμονοφ, Ο. Eriksson, α. Mikkelsen, e. Lundgren, α. μικρό. Vinogradov, n. Mårtensson και α. σι. Preobrajenski, Phys. Στροφή μηχανής. κάτοικος της Λατβίας. , 2012, 109, 026101 CrossRefcas.
  21. Π. Restuccia και m. ντο. Righi, Carbon, 2016, 106, 118 CrossRefcas.
  22. ρε. Marchetto, σ. Restuccia, α. Ballestrazzi, m. ντο. Righi, α. Rota και S. Valeri, Carbon, 2017, 116, 375 CrossRefcas.
  23. Χ. Zang, Q. Zhou, J. Chang, y. Liu και L. Λιν, μικροηλεκτρονικό. Μειονέκτημα. , 2015, 132, 192 CrossRefcas.
  24. Χ. Ανεμιστήρας, α. ρε. Smith, F. Forsberg, s. Wagner, S. Schröder, s. Sayedeh, α. Akbari, α. ντο. Fischer, l. Guillermo Villanueva, m. Östling, m. ντο. Lemme και f. Νίκλο, μικροσύστες. Νανο -. , 2020, 6, 17 CrossRefcaspubMed.
  25. Y. y. Wang, z. h. Ni, t. Yu, z. Χ. Shen, h. Μ. Wang, y. h. Wu, w. Τσεν και ένα. Τ. μικρό. Wee, J. Φυσικός. Χημικός. C, 2008, 112, 10637 CrossRefcas.
  26. μεγάλο. Μ. Malard, m. ΕΝΑ. Pimenta, g. Dresselhaus και m. μικρό. Dresselhaus, phys. Μαλλομέταξο ύφασμα. , 2009, 473, 51 CrossRefcas.
  27. μικρό. ρε. Costa, α. Righi, c. Fantini, y. Χαο, γ. Magnuson, L. Colombo, r. μικρό. Ruoff και m. ΕΝΑ. Pimenta, Commun Solid State. , 2012, 152, 1317 CrossRefcas.
  28. ρε. μεγάλο. Duong, G. H. Χαν, S. Μ. Lee, F. Gunes, e. μικρό. Kim, S. Τ. Κιμ, Η. Kim, Q. H. Ta, k. Π. Λοιπόν, S. J. Yoon, S. J. Chae, y. W. Jo, m. H. Πάρκο, S. H. Chae, S. ντο. Λιμ, j. Y. Choi και Y. H. Lee, Nature, 2012, 490, 235 CrossRefcaspubMed.
  29. σι. κ. Meyer, α. Πολιτεία, Δ. Reppin, m. Μπέκερ, σ. Hering, β. Kramm, σ. J. Klar, t. Sander, γ. Reindl, γ. Heiliger, m. Heinemann, γ. Müller και C. Ronning, σε ημιαγωγούς και ημιμέλεια ED. σι. σολ. Svensson, S. J. Pearton και C. Jagadish, Elsevier, 2013, Vol. 88, CH. 6 Αναζήτηση PubMed.
  30. Χ. Γιν, Υ. Li, F. Ke, γ. Λιν, Η. Zhao, L. Gan, z. Luo, r. Zhao, Τ. φά. Heinz και Z. Hu, Nano Res. , 2014, 7, 1613 CrossRefcas.
  31. Μ. Huang, h. Γιάν, γ. Τσεν, Δ. Τραγούδι, Τ. φά. Heinz και J. Hone, Proc. Γέφυρας. Ακαδημαϊκός. Σκί. U. μικρό. ΕΝΑ. , 2009, 106, 7304 CrossRefcas.
  32. ντο. Lee, x. Wei, Q. Li, r. Carpick, j. W. Kysar και J. Hone, Phys. Κατάσταση Solidi B, 2009, 246, 2562 CrossRefcas.
  33. Τ. Πάστορας και r. Bennewitz, Proc. Γέφυρας. Ακαδημαϊκός. Σκί. U. μικρό. ΕΝΑ. , 2010, 81, 155412 Search PubMed.
  34. μικρό. Μ. Τραγούδι και β. J. Cho, Nanotechnology, 2010, 21, 335706 CrossRefpubMed.
  35. J. ντο. Δόρυ, j. Π. Custerb και J. ρε. Batteas, Nanoscale, 2015, 7, 10021 RSC.
  36. Π. ΕΝΑ. Khomyakov, G. Giovannetti, P. ντο. Rusu, G. Brocks, J. van den Brink και p. J. Kelly, Proc. Γέφυρας. Ακαδημαϊκός. Σκί. U. μικρό. ΕΝΑ. , 2009, 79, 195425 Search PubMed.
  37. Z. Xu και m. J. Buehler, J. Φυσικός.: Συμπύκνωμα. Matter, 2010, 22, 485301 CrossRefpubMed.
  38. ντο. Γκονγκ, g. Lee, β. Σαν, Ε. Μ. Vogel, r. Μ. Wallace και k. Cho, J. Αρμώνω. Φυσικός. , 2010, 108, 123711 CrossRef.
  39. ΕΝΑ. Σύντομα, μ. Todorova, β. Delley και C. Stampfl, Proc. Γέφυρας. Ακαδημαϊκός. Σκί. U. μικρό. ΕΝΑ. , 2007, 75, 125420 Search PubMed.
  40. Π. Restuccia, m. Ferrario και m. ντο. Righi, Carbon, 2020, 156, 93 CrossRefcas.
  41. μικρό. Goler, γ. Coletti, V. Tozzini, V. Piazza, t. Mashoff, F. Beltram, V. Pellegrini και S. Heun, j. Φυσικός. Χημικός. C, 2013, 117, 11506 CrossRefcas.
  42. V. Jain και B. Kandasubramanian, J. Μητήρ. Σκί. , 2020, 55, 1865 CrossRefcas.
  43. Εφαρμοσμένα νανοκύλη Β.V., Τα δισδιάστατα υλικά, Delft, Ολλανδία, 2021, ανακτήθηκαν στις 13 Σεπτεμβρίου 2022 από https: // www.Εφαρμοσμέναεμπολέες.COM/ Products/ Search PubMed.
  44. R. J. Cannara, m. Eglin και r. W. Carpick, rev. Σκί. Όργανο. , 2006, 77, 053701 CrossRef.
  45. Μ. μεγάλο. σι. Palacio και β. Bhushan, crit. Στροφή μηχανής. Στερεά κατάσταση, 2010, 35, 73 CrossRefcas.
  46. Π. Giannozzi, S. Baroni, n. Bonini, m. Calandra, r. Αυτοκίνητο, γ. Cavazzoni, D. Ceresoli, G. μεγάλο. Chiarotti, m. Κοκλίι, εγώ. Dabo, α. Dal Corso, S. de Gironcoli, s. Fabris, G. Fratesi, r. Gebauer, u. Gerstmann, C, γ. Gougoussis, α. Kokalj, m. Lazzeri, L. Martin-Samos, n. Marzari, F. Mauri, r. Mazzarello, l. Paulatto, γ. Sbraccia, s. Scandolo, G. Sclauzero, α. Π. Seitsonen, α. Smogunov, σ. Umari και r. Μ. Wentzcovitch, j. Φυσικός.: Συμπύκνωμα. Matter, 2009, 21, 395502 CrossRefpubMed.
  47. J. Π. Perdew, k. Burke και m. Ernzerhof, Phys. Στροφή μηχανής. κάτοικος της Λατβίας. , 1996, 77, 3865 CrossRefcaspubMed.
  48. μικρό. Grimme, j. Υπολογίζω. Χημικός. , 2006, 27, 1787 CrossRefcaspubMed.

Related Posts

© racavedigger.com 2026