סיכום

במחקר זה נחקרה התנהגות החיכוך של קצוות שלבי גרפן עבים מונו שכבתי באמצעות מיקרוסקופיית כוח אטומית (AFM). נמצא שכאשר הקצה מחליק מעל קצה צעד גרפן קבור, יש כוח התנגדות במהלך תנועת העלייה וכוח מסייע במהלך התנועה המדרגת. כוחות אלה מיוחסים לשינויי גובה טופוגרפי. חיכוך בקצוות שלבי גרפן חשופים עולה בעוצמה ומציג התנהגויות מורכבות יותר. אינטראקציות כימיות בין קבוצות פונקציונליות בקצה ומשטחי הקצה הצעד תורמים לכוח ההתנגדות, בעוד שהכוח המסייע הוא תוצאה של השפעות טופוגרפיות. מדידה ברזולוציה גבוהה של התנהגויות חיכוך בקצוות שלב גרפן משפרת את ההבנה שלנו בחיכוך ממשק על משטחים מכוסים גרפן.

נקודות מפתח

1. חיכוך בקצוות צעד גרפן קבור מציג כוחות התנגדות ומסייעים במהלך תנועות מדרגות ומדרגות מדרגות.

2. חשיפה של קצוות שלבי גרפן מגדילה את גודל החיכוך ומובילה להתנהגויות חיכוך מורכבות יותר.

3. אינטראקציות כימיות בין משטחי קצה ומשטחי קצה צעד תורמים לכוח ההתנגדות בקצוות צעד חשופים.

4. הכוח המסייע בקצוות הצעדים החשופים מיוחס לאפקטים טופוגרפיים.

5. קצה בוטה משפר את ההשפעות המובחנות של הכוחות ההתנגדות והסייעים בקצוות צעד גרפן.

6. בכיוון הסריקה שלפ.

7. מדידה ברזולוציה גבוהה של התנהגויות חיכוך בקצוות שלב גרפן מעשירה את ההבנה שלנו לגבי חיכוך ממשק על משטחים מכוסים גרפן.

שאלות ותשובות

1. ש: מהן התנהגויות החיכוך שנצפו בשולי צעד גרפן קבור?
   
   א: בשולי צעד גרפן קבור, מתגלים כוחות התנגדות ומסייעים במהלך תנועות מדרגות והפחתת מדרגות, בהתאמה. כוחות אלה נובעים משינויי גובה טופוגרפי.
2. ש: מה קורה לחיכוך בקצוות צעד גרפן חשופים?
   
   א: חיכוך בקצוות צעד גרפן חשופים עולה בעוצמה ומציג התנהגויות מורכבות יותר בהשוואה לקצוות צעד קבור.
3. ש: מה גורם לרכיב ההתנגדות בקצוות צעד חשופים?
   
   א: הרכיב ההתנגדות בקצוות שלבים חשופים מיוחס לאינטראקציות כימיות בין הקבוצות התפקודיות בקצה ומשטחי הקצה הצעדים.
4. ש: מה הסיבה לרכיב המסייע בשולי הצעד החשופים?
   
   א: המרכיב המסייע בקצוות הצעדים החשופים נובע מהשפעות טופוגרפיות, בדומה למקרה של קצוות צעד קבורים.
5. ש: כיצד קצה בוטה משפיע על התנהגות החיכוך בקצוות שלב גרפן?
   
   א: קצה בוטה משפר את ההשפעות המובחנות של הכוחות ההתנגדות והסייעים בקצוות צעד גרפן.
6. ש: מהן ההשפעות הטופוגרפיות השונות שמציגה קצה בוטה בכיוון הסריקה של המדרגה?
   
   א: בכיוון הסריקה שלב, קצה בוטה מדגים שתי השפעות טופוגרפיות נפרדות: עיוות אלסטי של אזור המגע בתחתית הקצה בגלל שינוי גובה המצע, והטיה של הקצה כאשר המיקום האנכי של השלוחה עולה מהמרפסת התחתונה לטרסה העליונה.
7. ש: כיצד מדידה ברזולוציה גבוהה של התנהגויות חיכוך בשולי צעד גרפן תורמת להבנת החיכוך הממשקני?
   
   א: מדידה ברזולוציה גבוהה של התנהגויות חיכוך בקצוות שלב גרפן מספקת תובנות חשובות לחיכוך ממשק על משטחים מכוסים גרפן.

הפניות

1. ברמן ד, ארדמיר א, סומנט א ‘. גרפן: חומר סיכה חדש מתעורר. Mater Today 17 (1): 31–42 (2014) Google Scholar
2. Penkov O, Kim H J, Kim H J, Kim D E. טריבולוגיה של גרפן: סקירה. Int j j precis eng manuf 15 (3): 577–585 (2014) Google Scholar
3. Kim K S, Lee H J, Lee C, Lee S K, Jang H, Ahn J H, Kim J H, Lee H J. גרפן מגדל אדים כימי: חומר סיכה המוצק הדק ביותר. ACS Nano 5 (6): 5107–5114 (2011) Google Scholar
4. ברמן ד, ארדמיר א, סומנט א ‘. בלאי וחיכוך מופחתים המופעלים על ידי שכבות גרפן על משטחי פלדה הזזה בחנקן יבש. פחמן 59: 167–175 (2013) Google Scholar
5. ברמן ד, ארדמיר א, סומנט א ‘. גרפן כציפוי מגן וחומר סיכה מעולה למגעים חשמליים. 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 B. סרט גרפן שהורכב בעצמו כחומר סיכה מוצק של חיכוך נמוך במגע מקרוסקאלי. ממשקי ACS Appl Mater 9 (25): 21554–21562 (2017) Google Scholar
7. Berman D, Deshmukh S A, Sankaranarayanan S K R S, Erdemir A, Sumant A V. מקרוסקיליות מקרוסקאלית המופעלת על ידי היווצרות ננו -גולף גרפן. מדע 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 al. סופר-גוביות מיקרוסקופית חזקה בלחץ מגע גבוה המופעל על ידי מיקרוספרה מצופה גרפן. Nat Commun 8: 14029 (2017) Google Scholar
9. פילטר T, McChesney J L, Bostwick A, Rotenberg E, Emtsev K V, Seyller T, Horn K, Bennewitz R. חיכוך ופיזור בסרטי גרפן אפיטקסיאליים. Phys Rev Lett 102 (8): 086102 (2009) Google Scholar
10. פילטר T, Bennewitz R. תכונות מבניות וחיכניות של סרטי גרפן ב- SIC (0001) שנחקרו על ידי מיקרוסקופיית כוח אטומית. Phys Rev B 81 (15): 155412 (2010) Google Scholar
11. Lee C, Li Q Y, Kalb W, Liu X Z, Berger H, Carpick R W, Hone J. מאפייני חיכוך של סדינים דקים אטומית. Science 328 (5974): 76–80 (2010) Google Scholar
12. Lee H, Lee N, Seo Y, Eom J, Lee S. השוואה בין כוחות חיכוך על גרפן וגרפיט. Nanotechnology 20 (32): 325701 (2009) Google Scholar
13. Lee C, Wei X D, Li Q Y, Carpick R, Kysar J W, Hone J. מאפיינים אלסטיים וחיכוכים של גרפן. סטטוס פיז סולידי B 246 (11–12): 2562–2567 (2009) Google Scholar
14. Li Q Y, Lee C, Carpick R W, Hone J. השפעת מצע על חיכוך תלוי עובי על גרפן. סטטוס פיזי סולידי 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. השפעת המורפולוגיה של פני השטח על חיכוך גרפן על מצעים שונים. Nanostale 5 (7): 3063–3069 (2013) Google Scholar
16. Paolicelli G, Tripathi M, Corradini V, Candini A, Valeri S. התנהגות חיכוך ננומטרית של גרפן ב- SIO₂ ו- Ni (111) מצעים. Nanotechnology 26 (5): 055703 (2015) Google Scholar
17. Chen Z, Khajeh A, Martini A, Kim S H. מקורות כימיים ופיזיים של חיכוך על משטחים עם מדרגות אטומיות. SCI ADV 5 (8): EAAW0513 (2019) Google Scholar

חיכוך בלתי צפוי בתלות מהירות בגרפן

ג’ה צ’ן. ד”ר. חן הרוויח את ב ‘.ג. תואר בהנדסת מכונות מהאוניברסיטה הפוליטכנית הצפונית -מערבית ו- PH.ד. תואר בהנדסת מכונות מאוניברסיטת צינגהואה בסין. כעת הוא חוקר פוסט -דוקטורט. תחומי המחקר שלו הם תכונות הזזה ממשקיות ויישומים של חומרים שכבות דו ממדיות כחומרי סיכה מוצקים ותוספי חומר סיכה.

מדידת חיכוך ננו בקצוות צעד גרפן

למרות שגרפן ידוע היטב בשומן-על במישור הבסיס שלה, חיכוך בקצה הצעד שלו אינו מובן היטב ודיווחו על התנהגויות חיכוך סותרות. במחקר זה נבדק חיכוך של קצוות צעד גרפן עבה מונו-שכבתי באמצעות מיקרוסקופיית כוח אטומית (AFM) עם קצה SI באטמוספירה של חנקן יבש. נמצא שכאשר הקצה מחליק מעל א ‘קבור’ קצה שלב גרפן, יש כוח התנגדות במהלך תנועת המדרגה וכוח מסייע במהלך התנועה המורדת בגלל שינוי הגובה הטופוגרפי. גודל שני הכוחות הללו הוא קטן וזהה בתנועות מדרגות וגם בתנועות מדרגות. בנוגע ל ‘חָשׂוּף’ קצה שלב גרפן, חיכוך עולה בעוצמה ומציג התנהגויות מורכבות יותר. במהלך תנועת הקצה המוטלת מעל קצה הצעד החשוף, ניתן לאתר רכיבים התנגדות ומסייעים כאות הכוח לרוחב של AFM אם רזולוציית הסריקה גבוהה מספיק גבוהה. המרכיב ההתנגדות מיוחס לאינטראקציות כימיות בין הקבוצות התפקודיות בקצה ומשטחי הקצה הצעדי, והרכיב המסייע נובע מההשפעה הטופוגרפית, זהה למקרה של קצה צעד קבור. אם משתמשים בקצה בוטה, ההשפעות המובחנות של שני המרכיבים הללו הופכות לבולטות יותר. בכיוון הסריקה העלייה, נראה כי לקצה הבוטה יש שני השפעות טופוגרפיות נפרדות עיוות אלסטי של אזור המגע בתחתית הקצה בגלל שינוי גובה המצע בקצה המדרגה והטיה של הקצה ואילו המיקום האנכי של השלוחה (קצה הקצה) עולה מהמרפסת התחתונה אל הרחבה העליונה. המדידה ברזולוציה גבוהה של התנהגויות חיכוך בשולי צעד גרפן תעשיר עוד יותר את ההבנה של התנהגויות החיכוך הממשקיות על משטחים מכוסים גרפן.

הורד לקריאת טקסט המאמר המלא

עובד על כתב יד?

הפניות

1. ברמן ד, ארדמיר א, סומנט א ‘. גרפן: חומר סיכה חדש מתעורר. מטר היום17(1): 31–42 (2014) Google Scholar
2. Penkov O, Kim H J, Kim H J, Kim D E. טריבולוגיה של גרפן: סקירה. Int j precis eng manuf15(3): 577–585 (2014) Google Scholar
3. Kim K S, Lee H J, Lee C, Lee S K, Jang H, Ahn J H, Kim J H, Lee H J. גרפן מגדל אדים כימי: חומר סיכה המוצק הדק ביותר. ACS Nano5(6): 5107–5114 (2011) Google Scholar
4. ברמן ד, ארדמיר א, סומנט א ‘. בלאי וחיכוך מופחתים המופעלים על ידי שכבות גרפן על משטחי פלדה הזזה בחנקן יבש. פַּחמָן59: 167–175 (2013) Google Scholar
5. ברמן ד, ארדמיר א, סומנט א ‘. גרפן כציפוי מגן וחומר סיכה מעולה למגעים חשמליים. 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 B. סרט גרפן שהורכב בעצמו כחומר סיכה מוצק של חיכוך נמוך במגע מקרוסקאלי. ממשקי ACS Appl Mater9(25): 21554–21562 (2017) Google Scholar
7. Berman D, Deshmukh S A, Sankaranarayanan S K R S, Erdemir A, Sumant A V. מקרוסקיליות מקרוסקאלית המופעלת על ידי היווצרות ננו -גולף גרפן. מַדָע348(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 al. סופר-גוביות מיקרוסקופית חזקה בלחץ מגע גבוה המופעל על ידי מיקרוספרה מצופה גרפן. Nat Commun8: 14029 (2017) Google Scholar
9. פילטר T, McChesney J L, Bostwick A, Rotenberg E, Emtsev K V, Seyller T, Horn K, Bennewitz R. חיכוך ופיזור בסרטי גרפן אפיטקסיאליים. Phys Rev Lett102(8): 086102 (2009) Google Scholar
10. פילטר T, Bennewitz R. תכונות מבניות וחיכניות של סרטי גרפן ב- SIC (0001) שנחקרו על ידי מיקרוסקופיית כוח אטומית. Phys Rev B81(15): 155412 (2010) Google Scholar
11. Lee C, Li Q Y, Kalb W, Liu X Z, Berger H, Carpick R W, Hone J. מאפייני חיכוך של סדינים דקים אטומית. מַדָע328(5974): 76–80 (2010) Google Scholar
12. Lee H, Lee N, Seo Y, Eom J, Lee S. השוואה בין כוחות חיכוך על גרפן וגרפיט. ננו -טכנולוגיה20(32): 325701 (2009) Google Scholar
13. Lee C, Wei X D, Li Q Y, Carpick R, Kysar J W, Hone J. מאפיינים אלסטיים וחיכוכים של גרפן. סטטוס פיזי סולידי ב246(11–12): 2562–2567 (2009) Google Scholar
14. Li Q Y, Lee C, Carpick R W, Hone J. השפעת מצע על חיכוך תלוי עובי על גרפן. סטטוס פיזי סולידי ב247 (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. השפעת המורפולוגיה של פני השטח על חיכוך גרפן על מצעים שונים. ננומטוס5(7): 3063–3069 (2013) Google Scholar
16. Paolicelli G, Tripathi M, Corradini V, Candini A, Valeri S. התנהגות חיכוך ננומטרית של גרפן ב- SIO₂ ו- Ni (111) מצעים. ננו -טכנולוגיה26(5): 055703 (2015) Google Scholar
17. Chen Z, Khajeh A, Martini A, Kim S H. מקורות כימיים ופיזיים של חיכוך על משטחים עם מדרגות אטומיות. 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 H. חיכוך בקצוות שלבים של גרפן שכבתי יחיד בגלל אינטראקציות כימיות וטופוגרפיות. פַּחמָן154: 67–73 (2019) Google Scholar
19. Lang H J, Peng Y T, Zeng X Z, Cao X A, Liu L, Zou K. השפעת לחות יחסית על תכונות החיכוך של גרפן בצעדים בקנה מידה אטומי. פַּחמָן137: 519–526 (2018) Google Scholar
20. Lang H J, Peng Y T, Zeng X Z. השפעת חוזק מליטה בין שכבות וקשיחות כיפוף על תכונות החיכוך של חומרים דו-ממדיים במדרגות אטומיות בקנה מידה אטומי. Appl Surf Sci411: 261–270 (2017) Google Scholar
21. יה זי, מרטיני א. חיכוך אטומי בקצוות שלבי גרפיט חשופים וקבורים: ניסויים והדמיות. Appl Phys Lett106(23): 231603 (2015) Google Scholar
22. Lee H, Lee H B R, Kwon S, Salmeron M, Park J Y. צעדים אטומיים פנימיים וחיצוניים בגרפיט מראים תכונות פיזיקליות וכימיות שונות באופן דרמטי. ACS Nano9(4): 3814–3819 (2015) Google Scholar
23. Hunley D P, Flynn T J, Doddson T, Sundararajan A, Boland M J, Strachan D R. חיכוך, הדבקה וגמישות של קצוות גרפן. Phys Rev B87(3): 035417 (2013) Google Scholar
24. Egberts P, Ye Z J, Liu X Z, Dong Y L, Martini A, Carpick R W. תלות סביבתית של חיכוך בקנה מידה אטומי בשלבי משטח גרפיט. Phys Rev B88(3): 035409 (2013) Google Scholar
25. Dong Y L, Liu X Z, Egberts P, Ye Z J, Carpick R W, Martini A. מתאם בין צורת בדיקה לפסגות חיכוך אטומי בקצוות שלב גרפיט. Tribol Lett50(1): 49–57 (2013) Google Scholar
26. Panigrahi S, Bhattacharya A, Bandyopadhyay D, Grabowski S J, Bhattacharyya D, Banerjee S. הרטבה של תכונה של קצוות שלב מונואטומי על גרפיט: מיקרוסקופיית כוח חיכוך ו ab initio מחקרים כימיים קוונטיים. J Phys Chem C115(30): 14819–14826 (2011) Google Scholar
27. Hölscher H, Ebeling D, Schwarz U D. חיכוך בצעדי משטח אטומיים: ניסוי ותיאוריה. Phys Rev Lett101(24): 246105 (2008) Google Scholar
28. Müller T, Lohrmann M, Kässer T, Marti O, Mlynek J, Krausch G. כוח חיכוך בין אספיות חדה לצעד פני השטח. Phys Rev Lett79(25): 5066–5069 (1997) Google Scholar
29. Weilandt E, Menck A, Marti O. מחקרי חיכוך בשלבים עם מיקרוסקופיית כוח החיכוך. ממשק גלישה אנאלי23(6): 428–430 (1995) Google Scholar
30. Ruan J A, Bhushan B. התנהגות חיכוך של גרפיט פירוליטי מכוון מאוד. J Appl Phys76(12): 8117–8120 (1994) Google Scholar
31. Schwoebel R L, Shipsey E J. תנועת צעד על משטחי קריסטל. J Appl Phys37(10): 3682–3686 (1966) Google Scholar
32. Ye Z J, Otero-de-La-Roza A, Johnson E R, Martini A. השפעת צורת קצה על אטומי-ריסוק בקצוות שלב גרפיט. Appl Phys Lett103(8): 081601 (2013) Google Scholar
33. Barthel A J, Luo J W, Hwang K S, Lee J Y, Kim S H. השפעת שימון גבול של שאריות אורגניות שנותרו על פני השטח לאחר אידוי ממס ניקוי אורגני. לִלבּוֹשׁ 350 351: 21–26 (2016) Google Scholar
34. Sader J E, Larson I, Mulvaney P, White L R. שיטה לכיול של שלוחה של מיקרוסקופ כוח אטומי. Rev Sci Instrum66(7): 3789–3798 (1995) Google Scholar
35. Barnette A L, Asay D B, Janik M J, Kim S H. ספיחה איזותרמה ואוריינטציה של אלכוהולים ב- SIO הידרופיליים₂ בתנאי הסביבה. J Phys Chem C113(24): 10632–10641 (2009) Google Scholar
36. Yu J X, Kim S H, Yu B J, Qian L M, Zhou Z R. תפקיד הטריבוכימיה בנאנוור של סיליקון יחיד-גבישי. ממשקי ACS Appl Mater4(3): 1585–1593 (2012) Google Scholar
37. Qi y Z, Liu J, Dong Y L, Feng X Q, Li Q y. השפעות של סביבות על התנהגות בלאי ננו -סולם של גרפן: פסיבציה קצה לעומת. הצמדת מצע. פַּחמָן139: 59–66 (2018) Google Scholar
38. Ogletree D F, Carpick R W, Salmeron M. כיול כוחות חיכוך במיקרוסקופיית כוח אטומי. Rev Sci Instrum67(9): 3298–3306 (1996) Google Scholar
39. Varenberg M, Etsion I, הלפרין G. שיטת כיול טריז משופרת לכוח לרוחב במיקרוסקופיית כוח אטומי. Rev Sci Instrum74(7): 3362–3367 (2003) Google Scholar
40. Noy A, Frisbie C D, Rozsnyai L F, Wrighton M S, Liber C M. מיקרוסקופיה של כוח כימי: ניצול טיפים ששונו כימית לכימות התפלגות הדבקה, חיכוך ותפקוד קבוצתי במכלולים מולקולריים. J Am Chem Soc117(30): 7943–7951 (1995) Google Scholar
41. Dufrêne Y F, Ando T, Garcia R, Alsteens D, Martinez-Martin D, Engel A, Gerber C, Müller D J. מצבי הדמיה של מיקרוסקופיית כוח אטומי ליישום בביולוגיה מולקולרית ותאים. Nat Nanotechnol12(4): 295–307 (2017) Google Scholar
42. Levita G, Restuccia P, Righi M C. גרפן ומוס₂ אינטראקציה עם מים: השוואה על ידי ab initio חישובים. פַּחמָן107: 878–884 (2016) Google Scholar
43. Mo Y, Turner K T, Szlufarska. חוקי חיכוך בננו -סולם. טֶבַע457: 1116–1119 (2009) Google Scholar
44. Chen Z, Vazirisereshk M R, Khajeh A, Martini A, Kim S H. השפעת גלי אטומי על הידבקות וחיכוך: מחקר מודל עם קצוות שלב גרפן. J Phys Chem Lett10(21): 6455–6461 (2019) Google Scholar

תודות

עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע (Grant No. CMMI-1727571).

מידע על הכותב

מחברים ושיוך

1. המחלקה למכון לחקר הנדסה וחומרים כימיים, אוניברסיטת פנסילבניה, אוניברסיטת פארק, פנסילווניה, 16802, ארה”ב Zhe Chen & Seong H. קים

1. ג’ה צ’ן

אתה יכול גם לחפש מחבר זה ב- PubMed Google Scholar

אתה יכול גם לחפש מחבר זה ב- PubMed Google Scholar

מחבר מקביל

מידע נוסף

ג’ה צ’ן. ד”ר. חן הרוויח את ב ‘.ג. תואר בהנדסת מכונות מהאוניברסיטה הפוליטכנית הצפונית -מערבית ו- PH.ד. תואר בהנדסת מכונות מאוניברסיטת צינגהואה בסין. כעת הוא חוקר פוסט -דוקטורט. תחומי המחקר שלו הם תכונות הזזה ממשקיות ויישומים של חומרים שכבות דו ממדיות כחומרי סיכה מוצקים ותוספי חומר סיכה.

Seong h. קים. פרופ ‘. קים הצטרף לפקולטה להנדסה כימית בשנת 2001 לאחר השלמת pH.ד. לימוד בכימיה מאוניברסיטת נורת’ווסטרן ומחקר פוסט -דוקטורט באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, ארה”ב. הוא הרוויח את ב.ג. ומ.ג. תארים בכימיה מאוניברסיטת יונסיי, קוריאה. הנושא המרכזי של מחקריו טמון במדע השטח ובנדו-ננו, ובמיוחד יישום יסודות מדעי פני השטח על בעיות ממשקיות חשובות המעורבות בטריבולוגיה ושימון, ייצור ננו והנדסת שטח.

זכויות והרשאות

גישה חופשית: מאמר זה מורשה תחת ייחוס Creative Commons 4.0 רישיון בינלאומי, המאפשר שימוש, שיתוף, התאמה, הפצה ורבייה בכל בינוני או פורמט, כל עוד אתה נותן קרדיט מתאים לסופר / ים המקוריים ולמקור, מספק קישור לרישיון הקריאייטיב, ומציין אם בוצעו שינויים.

התמונות או חומר צד שלישי אחר במאמר זה כלולים במאמר’רישיון Creative Commons, אלא אם כן צוין אחרת בקו אשראי לחומר. אם החומר אינו נכלל במאמר’רישיון Creative Commons והשימוש המיועד שלך אינו מותר על ידי ויסות סטטוטורי או עולה על השימוש המותר, תצטרך לקבל אישור ישירות ממחזיק זכויות היוצרים.

על מאמר זה

ציין מאמר זה

חן, ז., קים, ש.ח. מדידת חיכוך ננו בקצוות צעד גרפן. חיכוך 8, 802–811 (2020). https: // doi.org/10.1007/S40544-019-0334-Y

• התקבל: 02 במאי 2019
• מתוקן: 20 באוגוסט 2019
• מקובל: 9 באוקטובר 2019
• פורסם: 10 בדצמבר 2019
• תאריך הגיליון: אוגוסט 2020
• Doi: https: // doi.org/10.1007/S40544-019-0334-Y

שתף את המאמר הזה

כל מי שתשתף את הקישור הבא איתו יוכל לקרוא תוכן זה:

קבל קישור ניתן לשיתוף

סליחה, קישור הניתן לשיתוף אינו זמין כרגע למאמר זה.

העתק ללוח

מסופק על ידי יוזמת שיתוף התוכן של Springer Natureat

מילות מפתח

• חיכוך
• גרפן
• קצה שלב
• מיקרוסקופיית כוח אטומית
• בוטות טיפ

חיכוך בלתי צפוי בתלות מהירות בגרפן

בשל תכונות החיטוי הנמוכות שלהם, חומרים המורכבים משכבות אטומיות בודדות מעניינות מאוד יישומים שבה.

דוגמא אחת כזו היא גרפן, המורכב משכבה יחידה של אטומי פחמן בסידור חלת דבש ונבדק במטרה לשימוש פוטנציאלי כשכבת סיכה. אכן, מחקרים קודמים הראו כי ניתן להזיז סרט גרפן על פני משטח זהב כמעט ללא חיכוך.

תוצאות מפתיעות עם משטח מחוספס

אם גרפן מיושם על משטח פלטינה, יש לו השפעה משמעותית על כוחות החיכוך הניתנים למדידה. כעת, פיזיקאים מאוניברסיטת באזל ואוניברסיטת תל אביב דיווחו בכתב העת בכתב העתמכתבי ננושבמקרה זה, החיכוך תלוי במהירות בה מועבר קצה מיקרוסקופ כוח אטומי על פני השטח על פני השטח.

ממצא זה מפתיע מכיוון שחיכוך אינו תלוי במהירות על פי החוק של קולומב, החל בעולם המקרו.

בשילוב עם מצע הפלטינה, גרפן כבר לא יוצר רק את דפוס חלת הדבש המשושה של אטומי פחמן ובמקום זאת יוצר מבנים -על המכונה Moiré Superlattices. לאחר מכן המשטח כבר לא שטוח לחלוטין ומציג מידה מסוימת של חספוס.

“אם אנו מעבירים את קצה ה- AFM על פני השטח הגלי הזה מעט במהירות נמוכה, אנו מודדים כוח חיכוך חלש וכמעט קבוע”, מסביר פרופסור ארנסט מאייר מהמכון הננו -מדעי השוויצרי והמחלקה לפיזיקה באוניברסיטת באזל.

עם זאת, “מעל לסף מסוים, החיכוך גדל במהירות עם מהירות קצה ה- AFM”, מוסיף המחבר הראשון DR. שיר ימינג. “ככל שהמבנה העל של המיר, כך הסף נמוך יותר בו החיכוך הופך להיות תלוי במהירות.”

החוקרים מצאו כי קיימת התנגדות רבה יותר ברכבי המבנים העל -מוריים במהלך תנועת הקצה. רכסים אלה עוברים עיוות אלסטי בגלל קצה הדחיפה לפני שנרגע שוב כאשר הלחץ גבוה מספיק. השפעה זו גורמת לכוחות חיכוך גדולים יותר הגוברים עם מהירות הקצה. הדמיות ומודל אנליטי מאשרים את ממצאי הניסוי שהתקבלו על ידי צוות חוקרים בינלאומי זה.

עוד מידע: Yiming Song et al, מהירות תלות של חיכוך Moiré, מכתבי ננו (2022). Doi: 10.1021/ACS.ננולט.2C03667

מידע על היומן: מכתבי ננו

מסופק על ידי מכון הננו -מדע השוויצרי, אוניברסיטת באזל

צִיטָטָה: חיכוך בלתי צפוי מהירות בגרפן (2022, 7 בדצמבר) הוחזר 18 במאי 2023 מ- https: // phys.org/new.html

מסמך זה כפוף לזכויות יוצרים. מלבד כל עסק הוגן לצורך מחקר פרטי או מחקר, לא ניתן לשחזר חלק ללא אישור בכתב. התוכן נמסר למטרות מידע בלבד.

השפעה מולקולרית סביבתית על התנהגויות החיכוך המקרוסקואלי של גרפן

Panpan Li 1,2,3 , בו וואנג 3 , Li Ji 1,2 *, Hongxuan Li 1,2 *, ליי צ’ן 1,2 , Xiaohong liu 1,2 , Huidi Zhou 1,2 ו ג’יאנמין חן 1,2

• 1 מעבדה מרכזית למדע וטכנולוגיה בנושא בלאי והגנה על חומרים, מכון לנז’ו לפיזיקה כימית, האקדמיה הסינית למדעים, לנצ’ואו, סין
• 2 מרכז חומרים מדעי חומרים ואופטו -אלקטרוניקה הנדסת, אוניברסיטת האקדמיה הסינית למדעים, בייג’ינג, סין
• 3 מעבדת מפתח ממלכתית לשימון מוצק, מכון לנצ’ואו לפיזיקה כימית, האקדמיה הסינית למדעים, לנצ’ואו, סין

מחקר זה בדק את התנהגות החיכוך של גרפן בסביבות אוויר וחנקן. האבולוציה המיקרו -מבנית הנגרמת כתוצאה מהשונות של סביבות האטמוספרה והשפעתו על מקדם החיכוך של הגרפן נבדקת. מודג. באוויר ניתן ליצור מבנה להחליק שכבה אחר שכבה מסודר מאוד בממשק הזזה. חמצן ו- h₂O מולקולות יכולות לבצע קשרים משתלשלים קצה ופגמים פסיביים. לפיכך, האינטראקציה בין גיליונות הננו לשכבות גיליונות הננו חלשה ומקדם החיכוך נמוך (0.06–0.07). ואילו מקדם החיכוך עולה ל 0.14–0.15 באטמוספירה של חנקן כתוצאה מאינטראקציה של פגמים שנוצרו בתהליך ההזזה, מולקולות החנקן עם אלקטרונים זוגיים בודדים יכולים רק להפוך את גיליונות הננו לפסיביים במידה מסוימת, ולכן מבנה ההחלקה המסודר נהרס והחיכוך גבוה יותר. עבודה זו חושפת את השפעתן של מולקולות סביבתיות על הביצועים הטבולוגיים המקרוסקליים של גרפן והשפעתו על המיקרו -מבנה בממשק ההזזה, שיכולים לשפוך אור על ביצועי הסיכה של גרפן באטמוספרות סביבתיות ולעזור לנו להבין את ההתנהגויות הטבולוגיות של הגרפיט במקרוסקאון.

מבוא

להפחתת הפסדי חיכוך וללאי יש ערך רב לרכיבים הנעים של תנאי הזזה (Holmberg and Erdemir, 2017). כחומר שכבות טיפוסי, גרפיט משמש בהרחבה כחומר סיכה מוצק בגלל האינטראקציה החלשה של כוח ואן דר וואלס בין שכבות (Geim ו- Novoselov, 2007). מצוין כי ההתנהגויות הטבולוגיות של גרפיט מושפעות בקלות מסביבות אטמוספריות, והיא מציגה חיכוך נמוך באטמוספירה האוויר ובחיכוך גבוה באטמוספרות ואקום או אינרטי (Savage, 1948; Savage and Schaefer, 1956). במהלך העשורים האחרונים, מרבית המחקרים והיישומים המעשיים עסקו בביצועים הטבולוגיים של גרפיט (Lancaster ו- Pritchard, 1981) ומחקרים מעטים התמקדו במבנה המיקרו המהותי שקובע את התכונות הטבולוגיות של גרפיט. מצד אחד, קשה לצפות בשינוי המבני של גרפיט תלת מימדי (3D). מצד שני, מערכת היישומים המעשיים בדרך כלל מסובכת. לפיכך, בחינת השפעת הסביבה האטמוספרית על המבנה המהותי של המקור הבסיסי של הביצועים הטבולוגיים המקרוסקליים היא קשה ומחייבת חקירה נוספת. בינתיים, הוצעו כמה מנגנוני סיכה של גרפיט כדי להסביר את ביצועי הגרפיט בתנאים שונים (Bollmann and Spreadborough, 1960; Bryant et al., 1964) אך עדיין יש מחלוקות לגבי אופיים המדויק של מנגנונים אלה.

מחקרים טריבולוגיים מיקרוסקאליים של חומרי סיכה, ובמיוחד מחקרי המבנה עשויים להנחות את ההבנה של מקור התכונות הטבולוגיות ומנגנון סיכה מקרוסקלי (Zheng and Liu, 2014; Zhang et al., 2019). כיחידה הבסיסית של גרפיט, גרפן מחזיקה במבנה ננו-נייר דו-ממדי טיפוסי (2D) בנייר דק המנוהל את הגרפן עם תכונות מצוינות כולל תכונות פיזיקליות, אלקטרוניות וכימיות מרתקות (Zhu et al., 2010; Avouris ו- Dimitrakopoulos, 2012; Badhulika et al., 2015). גרפן מציג תכונות טריבולוגיות מצטיינות (Berman et al., 2014; ברמן ואח ‘., 2015) ומשכה תשומת לב רבה בתחום הטריבולוגיה. מחקר טריבולוגי מקרוסקטיבי של גרפן החל בשנים האחרונות והוא גדל בהדרגה. ציפויי הגרפן שנשמטו על מצע הפלדה הם בעלי יכולת להפחית את החיכוך והבלאי באוויר ולייבש אטמוספירת חנקן (Berman et al., 2013 א; ברמן ואח ‘., 2013b), אך עדיין נדרש מקדם חיכוך נמוך יותר. בדומה לחומרי פחמן אחרים, לחות או לאטמוספרה יש השפעה מובנת מאליה על ביצועי החיכוך של גרפן (Erdemir, 2001; Yen et al., 2004; Bowmick et al., 2014). כחומר סיכה מוצק חדש המתעורר, גרפן מבנה מיועד דק יש שפע של משטחים חשופים שיכולים לספק נוחות לאפיון המיקרו-מבנה של גרפיט, שיכולים להיות נגישים לבחינת המבנה המהותי של ממשק המגע הזזה של גרפן (Maciel et al al., 2020). מקדם החיכוך Macroscale של גרפן תלוי גם במבנה המיקרו שלו, כך שניתן להניח כי גרפן עם גיליונות ננו שלמים יכול להראות ביצועי סיכה מצוינים. בפרט, מבנה ההחלקה המסודר ביותר בממשק ההזזה מאפשר לגרפן להשיג חיכוך סופרלו מקרוסקלי (Song et al., 2017) ומיקרו -מבנה מחליק אידיאלי בשכבות הוא התנאי המוקדם של גרפן להציג התנהגויות טריבולוגיות מקרוסליות מצטיינות (Li et al., 2020; Gao et al., 2020). בשנים האחרונות, מחקרים על תכונותיו הטבולוגיות של גרפן מתמקדות בעיקר במיקרוסקאון ובתיאוריה (Hirano and Shinjo, 1990) (Dienwiebel et al., 2004; Song et al., 2018) ויכול לספק הנחיות למחקר מקרוסקול. החיכוך המיקרוסקורה מתרחש בממשק המגע הקטן האידיאלי, וגיליון הננו של גרפן שלם יכול לקבל חיכוך נמוך (Hod et al., 2018; חן ולי, 2020). עם זאת, במאקרוסקאון, ממשק המגע יש גורמים גדולים ושפע המשפיעים על ביצועי החיכוך (Cooper et al., 2019; Yu et al., 2020). בפרט, גיליונות ננו -גרפן הם בעלי שטח פנים ספציפי גבוה וקלות ביתר קלות מולקולות גז מסביב כאשר הן נחשפות לאטמוספרה, מה שישפיע בקלות על תכונות טריבולוגיות מקרוסקיליות. מחקרים מקרוסקואליים קודמים מצביעים על כך שגרפן מציג חיכוך נמוך בסביבות לחות, מימן או אוויר עם מולקולות גז פעילות ומראה את התגובה לסביבות האטמוספרה הסובבות (Berman et al al., 2015; Li et al., 2017; Gao et al., 2018). כדי להבין את המקור הבסיסי של הביצועים הטבולוגיים של גרפן, עדיין יש לבחון את הקשר בין שינויי המיקרו -מבנה לתכונות הטבולוגיות ויכול לשפוך אור על מנגנון הסיכה המקרוסקלי של גרפן (פילינג מכני של גרפין, ובכך כדי להבין את מנגנון השומן המקרוסקלי של גרפין של גרפין), ובכך כדי להבין את שומן המקרוסקוסלציה של גרפין של גרפין).

בהתבסס על זה, נבדקו התכונות הטבולוגיות המקרוסקואליות של גרפן באטמוספרות אוויר וחנקן, והתנהגויות התגובה לאטמוספרות שמסביב נחקרו. לאחר מכן התאפיינו המיקרו -מבנה המתאים של ממשק ההזזה והמורפולוגיות של זוג החיכוך במיקרוסקופ האלקטרונים ההולך (TEM) וספקטרום ראמאן כמו גם דימוי אופטי כדי לחקור את השפעת הסביבות האווירה על המיקרו וההשפעה על התנהגות גרפיה של האווירה. מחקרי ההתפתחות המבנית הנגרמת על ידי האטמוספרות שמסביב והשפעתן על מקדם החיכוך במהלך שינוי האטמוספירה מסייעת לחשוף את הביצועים הטבריולוגיים המקרוסקאליים של גרפן ובכך מעצימה את ההבנה של מנגנון השימון של גרפיט במאקרוסלה, שיכולה להיות משמעותית למתן הדרכה (גרפן) כדי להשתמש במאקרוסלה במאקרוסקה במאקרוסקה במאקרוסקה במאקרוסקה במאקרוסקלה במאקרוס.

שיטות

חומרים והכנת מדגם

אבקת גרפן נרכשה מחברת הטכנולוגיה הטכנולוגית של נאנג’ינג ג’יקאנג ננו בע”מ (נאנג’ינג, סין), וגיליונות הננו -גרפן מוכנים על ידי פילינג מכני. אלכוהול נדיף בדרגה אנליטית (טיאנג’ין, סין) הושג באופן מסחרי. אבקת הגרפן שנרכשה ואלכוהול נדיף ללא טיפול כימי נבחרו לחקור את המאפיינים המובנים של גרפן טהור. המבנה המקורי של גרפן מוצג באיור 1. אבקת הגרפן שלמעלה התפזרה באלכוהול נדיף של 100 מ”ל בריכוז המוני של 2 גרם לליטר, ואז ריסס הפיזור על מצע הפלדה M2 מיד לאחר 30 דקות אולטרה סאונד (איור 2 א מציג את תהליך הכנת הדגימה). לפני תהליך הריסוס, מצע הפלדה M2 הוחלף על ידי 1,000 נייר זכוכית חצץ. במהלך תהליך הריסוס, החנקן היבש בעל הטוניון הגבוה שימש כגז המנשא בלחץ של 0.2 MPa (הסכמטי הוצג באיור 2 ב), והדגימות המתקבלות יובשו בוואקום ב 80 מעלות צלזיוס למשך שעה כדי להרשות לעצמם את ציפויי הגרפן.

איור 1. מבנה מיקרו מקורי של גרפן: (א) דפוסי XRD, (ב) ספקטרוסקופיה של ראמן, (ג) מורפולוגיה של גרפן, (ד) גודל לרוחב של גיליונות ננו -גרפן.

עקומות אטרקטיביות: תפקיד העיוותים בהדבקה ובחיכוך על גרפן †

עמ ‘. V. אנטונוב ‡ a, p. רסטוצ’יה ב ‘, מ. ג. Righi * b ו- J. W. M. פרנקקן * AC
מרכז מחקר מתקדם לננוליטוגרפיה, פארק המדע 106, 1098 XG אמסטרדם, הולנד. דואר אלקטרוני: [email protected]
B המחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה, אוניברסיטת בולוניה, Viale Berti Pichat 6/2, 40127, בולוניה, איטליה. דואר אלקטרוני: קלליה.Righi@Unibo.זה
C המכון לפיזיקה, אוניברסיטת אמסטרדם, פארק המדע 904, 1098 XH אמסטרדם, הולנד

התקבל ב- 5 במאי 2022, התקבל ב- 7 בספטמבר 2022

פורסם לראשונה ב- 14 בספטמבר 2022

תַקצִיר

מדידות מיקרוסקופיה של כוח החיכוך חושפות הבדל דרמטי של גורם 3 בין כוחות החיכוך שחוו על גרפן חד-שכבתי על גבי מצעי נחושת מחומצנים ולא חמצונים. אנו משייכים את ההבדל הזה עם ההדבקה החזקה והחלשה שחווה הגרפן בשני המצעים הללו, בהתאמה, אך טוענים כי הוא גדול מכדי שיוחסו על ההבדל באזור המגע או להבדל בהתחייבות המגע או אפילו לשילוב של שתי השפעות אלה. אנו משתמשים בתיאוריה פונקציונלית בצפיפות כדי להראות עלייה משמעותית בתגובה הכימית של גרפן כאשר היא מעוקלת.

1. מבוא

גרפן הוא חד -שכבתי יחיד של SP 2 פחמן מלוכד. זהו החומר הקל, הדק והחזק ביותר הידוע עד היום 1 ותכונות חדשות, קיצוניות ממשיכים להתווסף לרשימה ההולכת וגדלה עבור חומר מיוחד, דו ממדי זה. כאשר גרפן יוצר מרכיב טבעי של גרפיט וגרפיט משמש בדרך כלל כחומר סיכה מוצק, תכונות החיכוך של גרפן משכו גם תשומת לב ואפילו שכבה יחידה של גרפן ידועה כמפחיתה חיכוך יבש ובלאי במגע הזזה. 2–11 ניסויי חיכוך ננומטריים עם מיקרוסקופיית כוח חיכוך (FFM) הראו כי חיכוך על גרפן יכול להיות תלוי ברגישות במספר שכבות הגרפן 12–14 ומגיע לערך הגרפיט בתפזורת רק בעובי של ארבע שכבות. 15

מכיוון שלגרפן יש קשיחות כיפוף נמוך יחסית מחוץ למטוס, הוא יכול בקלות לבלבול (פאקר) מול קצה ה- AFM הזזה. 15 השפעה זו נצפתה באופן ספציפי על תחמוצת סיליקון ומצעי נחושת, ושניהם יש הדבקה חלשה לגרפן. התמצאות התגלתה כשיגייה למספר שכבות הגרפן ולהפוך להיות פחות בולטות, ככל שמספר השכבות גדל. ההשפעה האחרונה קשורה להדבקה החזקה יותר של השכבה העליונה של הגרפן לשכבות גרפן הבסיסיות, מה שמפחית את הפקפיות ומלווה בהפחתה בכוח החיכוך. בהתאמה, הדחיפה מודחקת על מצעים אליהם גרפן חווה הדבקה חזקה, כמו נציץ, 15 עליהם נצפה כוח החיכוך לא תלוי במספר שכבות הגרפן.

עליית החיכוך הקשורה לאפקט הנטילה יוחסה במקור לעלייה באזור המגע בין קצה ה- AFM לקפל שהוא מציג בגרפן שלפני עצמו. 15–17 מאוחר יותר, אותם מחברים הראו כי עליית החיכוך הייתה גדולה משמעותית מהשינוי באזור המגע שהם העריכו עקב התהפכות של הגרפן. לפיכך, הם הציעו הסבר חלופי, בו ניתן תפקיד מפתח לחופש הגרפן להתעוות מקומי על מנת לייעל את יכולת ההתחייבות שלו עם אותם אזורים בקצה, אליו יצר קשר אינטימי. אכן ניתן להכיר באפקט יכולת מגע זה בהדמיות MD קלאסיות. 18 ניסויי מיקרוסקופיה של כוח החיכוך האחרונים על גרפן עומד חופשי סיפקו עדויות נוספות לתרחיש זה. 19

חישובי תיאוריה פונקציונלית של צפיפות אחרונה (DFT) חשפו כי ההדבקה של שכבה יחידה של גרפן למצע מתכתי רגישה מאוד למבנה האלקטרוני של אותו מצע. לדוגמה, גרפן נקשר בצורה חזקה יותר על ברזל מאשר על נחושת מכיוון שמצבי הברזל D, העוסקים בחלקם, מחזירים מחדש את האורביטלים של גרפן, ובכך מקדמים כימיה ספיחה במקום פיזי ספיחה. 20 להבדלים אלה יש השפעה ישירה על ההתנהגות הטבולוגית של גרפן על שני המצעים השונים. 21,22

במאמר זה אנו מציגים מחקר ניסיוני ותיאורטי משולב של האינטראקציה בין מונולייר גרפן לתמיכתו והשפעת האינטראקציה הזו על חיכוך. כתומכים לגרפן, השתמשנו בנחושת נקייה ובנחושת מחומצן, ואנחנו מגלים שכוחות החיכוך שחוו על הגרפן על תומכים אלה נבדלים זה מזה בגורם 3 – ללא ספק ניגודי החיכוך הגדולים ביותר שנמצאו על גרפן עד היום. הבדל זה עולה על ההשפעה המשולבת של העלייה הנגרמת על ידי הפלגה באזור המגע ושיפור העיוות בעיוות של יכולת המגע, שהוזכר לעיל, ומציע תרומה של מקור השפעה חזק עוד יותר על כוח החיכוך. יישמנו חישובי תיאוריה פונקציונלית של צפיפות (DFT) כדי לחשוף שההתנפצות גורמת לייברידיזציה מחודשת של קשרי הפחמן באזורי גרפן כפופים, מה שהופך אותם מאינרטים ‘תְגוּבָתִי’. טיפ מחליק על אזור כזה חווה אפוא הידבקות וחיכוך גבוה יותר.

המחקר שלנו עשוי להיות רלוונטי בהקשר של יישומים פוטנציאליים של גרפן בשכבה יחידה במגעים הזזה יבשה, במיוחד במקרים בהם יתכן ויהיה צורך בכוונון עדין מקומי של כוחות החיכוך.ז. , במכשירי MEMS או NEMS. 23,24

2. תוצאות ודיון

2.1. תוצאות ניסיוניות

אנו מתחילים לאפיין את מערכת הגרפן-על-נחושת המופקדת טרי, מוכנה כמתואר בסעיף 3. תאנה. 1 מציג ספקטרום ראמאן טיפוסי, שהושג 10 ימים לאחר שהופקד הגרפן. הסימטרי והחדים של 2D −1 מאשר שמדובר בשכבת גרפן אחת, ואילו היעדר פיקוד D בגובה 1350 ס”מ −1 מדגים את היעדרם של פגמים קריסטליים בתוך גרגרי הגרפן ויש לקחת אותם כחתימת האיכות הטובה של החומר. 25,26 גם יחס העוצמה בין ה- 2D-G-Peaks, i _2d/ אני _ז, שהוא מעט גדול יותר מאחדות, מציין נוכחות של גרפן חד -שכבתי בלבד. שימו לב, יחס זה תלוי מאוד באנרגיית עירור הלייזר וכי הוא רגיש לפרטי הכריכה בין שכבת הגרפן למצע. 27 הוכח כי בטווח הלייזר הירוק (אנרגיית עירור של 2.2 ÷ 2.4 eV) עוצמת פרופיל התהודה של ראמן מתחזקת מאשר באנרגיות גבוהות יותר (מעל 2.8 eV). השפעה זו קשורה לפס פוטולומינסקנציה של מצע CU. בניסויים שלנו, השתמשנו באורך גל לייזר של 514 ננומטר, התואם אנרגיית עירור של 2.41 eV. הספקטרום הנרכש מסכים עם הספרות טוב. 25–27 לשלמות, אנו מזכירים כי הרקע של הזוהר ממצע הנחושת הופרע מהספקטרום באיור. 1.

תאנה. 1 ספקטרום ראמאן של מדגם גרפן מגודל, 10 ימים לאחר גידול CVD של הגרפן על סרט נחושת (111) מרוגד על פני (111) של ספיר. ה- G- ו- 2D-Peaks מסומנים, כמו גם המיקום בו יש לצפות במיקום ה- D, עקב פגמים מבניים,. הספקטרום מצביע על כך שמדובר בשכבת גרפן אחת של איכות מבנית גבוהה יחסית, i.ה. , צפיפות פגמים נמוכה.

בנוסף לספקטרום הראמאן, בדקנו את הדגימות הגרפן-על-נחושת בהרחבה עם AFM, כפי שמודגם על ידי איור. 2 א. מדי פעם נמצאו פגמים שבהם הגרפן היה חסר מקומי. במקומות אלה ניתן היה למדוד את גובה שכבת-העל וגם את המדידות הללו אימתו תמיד את האופי היחיד של החומר שלנו של החומר שלנו. בדיקות אופטיות ותמונות AFM מצביעות על כך שמונולייר הגרפן כיסה את המצע כולו באופן אחיד וכי המצע (פלוס גרפן) היה שטוח יחסית (± 10 ננומטר).

תאנה. 2 תמונות AFM ומיקרוגרף אופטי של משטח נחושת מכוסה גרפן. (א) תמונת AFM כמה ימים לאחר תצהיר גרפן וחשיפה לאחר מכן לאוויר. (ב) תמונת AFM כמעט באותו אזור פני השטח לאחר חודשיים של חשיפה נוספת לאוויר. שימו לב לרשת הקווים והאיים הבולטים, הקשורים לחמצון של מצע הנחושת הבסיסי דרך ה- GGBS. (ג) מיקרוגרף אופטי של שטח שונה באותו משטח לאחר חודשיים של חשיפה לאוויר, ומראה גם את רשת GGBs מעוצבים תחמוצת. התמונה מציגה גם Cu GB. שימו לב, נראה כי האוריינטציות של ה- GGBs לא מושפעות מהכיוון של ה- Cu GB.

לאחר התצהיר ואפיון ראשוני, דגימות הגרפן-על-נחושת אוחסנו בטמפרטורת החדר באוויר בלחות יחסית של כ- 50%, למשך זמן כולל של חודשיים. מצאנו שלא רק משטחי נחושת חשופים השתנו תחת השפעת האטמוספירה, אלא גם את הטופוגרפיה של פני השטח של דגימות הגרפן-על-נחושת שלנו התפתחה לאט. ניתן לזהות זאת על ידי השוואה בין תמונת AFM באיור. 2B, לקח את הדגימה המכוסה בגרפן לאחר חודשיים של חשיפה לאוויר, עם ‘טָרִי’ אחד באיור. 2A ו- C מציג מיקרוגרפיה אופטית של אותו מדגם מכוסה גרפן, חודשיים-חודשיים, מכוסה גרפן. כאמור, תמונת AFM באיור. 2A מאפיין לגרפן באיכות גבוהה על נחושת שטוחה יחסית וחלקה. זה מראה וריאציה של גובה צנוע ושל צעדים אטומיים של מצע הנחושת ניתן להבחין. בנוסף לתכונות אלה, איור. 2B, המציג כמעט אותו אזור, חושף רשת משובחת של קווים ואיים בולטים. בדרך כלל, הגבהים של בליטות אלה אינם עולים על 5 ננומטר. התמונה האופטית של איור. 2C מציג רשת דומה, של קווים ואיים בהם השתנה הניגודיות האופטית. אנו משייכים שינויים איטיים אלה עם חמצון של מצע הנחושת, כפי שיאושרו עוד יותר על ידי מדידות AFM וספקטרוסקופיה של ראמן, שנדונו להלן. גרפן מושלם מבחינה מבנית בלתי חדיר עבור חמצן וליקויים מבניים בתרפן, כמו גבולות התבואה הגרפן (GGB), יוצרים את המיקומים היחידים שבהם החמצן יכול לעבור ולהגיע לנחושת. 28 זה מוליד חמצון איטי ומוגבל דיפוזיה של מצע הנחושת, שנמצא ב- GGB ומתפשט לצדדים כדי לחמצן את הנחושת מתחת לגרפן.

לשם השלמות, אנו מזכירים כי התמונה האופטית מכילה גם פגם מורחב השונה בבירור בצורתם וניגודיות מה- GGBs המעוצבים תחמוצת. אנו מקשרים אותו לסרט הנחושת ומפרשים אותו כגבול תבואה נחושת (GB). נראה כי האוריינטציות של ה- GGBs אינן תלויות בכיוון שלבי הנחושת ובנחושת GB (איור. 2 ג). הנקודות השחורות, הנראות בעיקר על ה- GB הנחושת במיקרוגרף האופטי (איור. 2 ג), הם אזורים של תחמוצת נחושת בתפזורת שגדלו בגובה מעל פני הדגימה ואינם לבושים יותר עם גרפן. אנו מסיקים זאת ממדידות ראמן שנערכו במיקומים אלה. יש להניח כי אזורים אלה נוצרים במקומות שבהם צפיפות הפגם הגבוהה ביותר, הן בגרפן והן בנחושת הבסיסית, מאפשרת קצב חמצון גבוה יחסית. 28

על מנת לרכוש ראיות ישירות לחמצון המקומי של מצע הנחושת, מדדנו את ספקטרום ראמן באזורים שהשתנו, קרוב ל- GGB, והשווינו את אלה עם ספקטרומים שנלקחו באזורים הבלתי משתנים, במרחקים מה- GGBs הקרובים של לפחות 20 מיקרומטר לפחות. דוגמה לספקטרום ראמאן באזור בולט שקישוט GGB, מוצגת כגרף העליון באיור. 3. יש להשוות בין ספקטרום זה עם הגרף התחתון, שנלקח על אותו מדגם, על אזור הרחק מ- GGBs שנראה שלא מושפע מחודשיים של חשיפה לאוויר. שלוש הפסגות בספקטרום העליון בגובה 149, 218 ו 653 ס”מ −1 הם חתימת CU₂O, 29 ותמכו בפרשנות שלנו כי מצע הנחושת מתחמצן במיקום הבליטה. פסגות אלה נעדרות בספקטרום התחתון, בהתאם לרעיון שהגרפן הגן על מרבית מצע הנחושת מפני חמצון. אנו מגלים כי על הנחושת המחומצנית, קיימים שניהם G- ו- 2D-Peaks של הגרפן, מה שמצביע על כך שהגרפן עדיין שם ואינו מתחמצן. שניהם של G- ו- 2D הם שניהם ‘מועבר אדום’ ביחס לפסגות המתאימות עבור ‘רגיל’ גרפן על נחושת ללא שינוי (איור. גרף 1 ונמוך יותר באיור. 3), משנת 1592 עד 1585 ס”מ −1 עבור ה- G-Peak, ו- 2727 ל- 2680 ס”מ −1 לפסגת הדו-מימד. בעבר דווח על משמרת אדומה דומה של פסגות הראמאן האופייניות עבור דגימות נחושת מצופות גרפן שהתחמצנו בכוונה עם קרינה אולטרה סגולה (UV) באווירת חמצן. 28,30 מעניין לציין כי משמרת אדומה של הפסגות האופייניות ידועות שמקורן במתח מתיחה בגרפן. במקרה שלנו, יש סיבה טבעית למתח כזה לאור הנפח המוגבר מתחת לגרפן עקב חמצון הנחושת. 30 שימוש בתצפיות של ref. 31 כמסגרת ההתייחסות שלנו, אנו משייכים את המשמרות האדומות באיור. 3 לשינוי מתיחה במתח הגרפן בין 0.5 ו -1.5%. יש גם שינוי ביחס העוצמה של ה- 2D ו- G-Peaks, השווה ל- I _2d/ אני _ז = 2.3 על הנחושת המחומצן (גרף עליון באיור. 3), שהוא גבוה בהרבה מהיחס של אחדות בערך באזורים לא חמצונים (CF. תאנה. גרף 1 ונמוך יותר באיור. 3).

תאנה. 3 ספקטרום ראמן שנלקח עם אורך גל עירור של 514 ננומטר על מדגם גרפן-על-נחושת, לאחר שנחשף לאוויר במשך חודשיים. (ספקטרום עליון, אדום) מדידה על אזור GGB בולט. (ספקטרום תחתון, שחור) מדידת התייחסות רחוקה מה- GGB. שימו לב לפסגות הנוספות בספקטרום העליון, ב 149, 218 ו- 653 ס”מ -1, הקשורים ל- Cu2O. שימו לב גם ל- ‘משמרות אדומות’ של פסקי ה- G ו- 2D על המצע המחומצן והיעדר שיא D בגובה 1350 ס”מ −1 .

למרות שינוי המתח, ספקטרום הראמאן באזור המחומצן לא הכיל שיא D שניתן לגילוי, והראה כי חמצון המצע והזן הפנימי בשכבת-על גרפן לא היו מלווים על ידי פגמים מבניים בתרפן.

בעזרת AFM מדדנו את הטופוגרפיה המקומית ואת התנהגות החיכוך של דגימות הגרפן-על-נחושת, הן לפני ואחרי חשיפה אווירית ממושכת. תאנה. 4A ו- B מציגים שילוב של מדידות גובה וכוח לרוחב על 1.5 × 0.5 מיקרומטר 2 שטח הדגימה החשופה, במרכז אזור תחמוצת עם GGB באמצע; ה- GGB פועל באופן אנכי באמצע התמונה ובולט בצורה הברורה ביותר במפת הכוח לרוחב של הלוח (ג). מדידות ה- AFM נערכו בסביבה בכוח נורמלי f _נ בטווח של 23.7 עד 33.0 nn, באמצעות שלוחה עם מקדם קפיץ רגיל של 0.09 n m −1 ומקדם אביב לרוחב של 38 נ ‘מ −1 . הגרפים באיור. 4A ו- B מראים עקומות גובה וכוח לרוחב; הם נלקחו לאורך הקווים המקווקו הלבנים בשתי התמונות המתאימות. מדידות הגובה מראות כי אזור תחמוצת גבוה יותר מהשטח הסובב ולא חמצון על ידי 2 עד 4 ננומטר. מעניין לציין כי מדידות הכוח הרוחבי f _L בפאנל (ב) מצביע על כך שכוח החיכוך שחווה קצה ה- AFM על הגרפן על נחושת מחומצן נמוך משמעותית מזו על הנחושת הלא מחמצת. ניתן לזהות זאת מהניגודיות בתמונת כוח החיכוך, הצבע הבהיר יותר המתאים לערך מוחלט נמוך יותר של הכוח לרוחב, ומהשינויים הן בעקומות העקבות והן בעקומות החוזרות בתרשים הכוח הרוחבי המתאים, הערך המוחלט עבור הכוח לרוחב לשני העקומות הוא מינימלי על האזור המחומצן. שימו לב, מקסימום מקומי נצפה בכוח הרוחבי על פני ה- GGB (איור. 4 ב).

תאנה. 4 השוואה כמותית של תכונות החיכוך של גרפן על נחושת וגרפן ב- CU2O. (א) תמונת גובה AFM רגילה, התקרבה על 1.5 × 0.5 מיקרומטר 2 אזור של דגימת נחושת מכוסה גרפן עם אזור מחומצן במרכז, בשילוב עם פרופיל גובה יחיד שנלקח לאורך הקו המקווקו בתמונה. (ב) תמונת כוח לרוחב של אותו אזור, צולמה בכיוון המשיכה (מימין לשמאל) בכוח נורמלי של fנ = 23.7 NN, בשילוב עם שני פרופילי כוח לרוחב, שנלקחו בקיטורים וכיוונים לאורך הקו המקווקו בתמונה (אותו מיקום כמו הקו המקווקו ב (א)). (ג) תלות של הכוח הרוחבי (הערך המוחלט של) על הכוח הנורמלי עבור גרפן על נחושת ולגרפן ב- Cu2O, נמדד לאורך אותו קו מקווקו ב- (A) ו- (B); המדרונות מצביעים על מקדם החיכוך.

עדויות נוספות להבדלים בהתנהגות החיכוך בין האזורים המחומצנים ללא חמצון נובעים ממדידות של הכוח לרוחב כפונקציה של הכוח הנורמלי, המוצג באיור. 4 ג. הן עבור האזורים המחומצנים והן ללא חמצון, הכוחות לרוחב, שתוכו באיור. 4C, חושבו ככוח הרוחבי הממוצע במדידות כמו אלה באיור. 4b, על אזורים שלא היו בסמוך למעברים בין נחושת לתחמוצת ולא בסמוך לתכונות טופוגרפיות משמעותיות, שיכולות להוביל לממצאים בכוח הרוחבי המדוד. שולי השגיאה באיור. 4C ציין את סטיות התקן בממוצעים שנמדדו, שולי השגיאה על הנתונים עבור האזורים המחומצנים (ריבועים אדומים) נופלים ממש בגודל הסמל.

מהתאין. 4 ג, אנו מכירים בכך שלא רק כוח החיכוך נמוך יותר באזורים המחומצנים, אלא גם במקדם החיכוך, אני.ה. , המדרון μ = df _L/ df _נ. ניתן לראות זאת ישירות משני ההתקפים הליניאריים באיור. 4 ג. אנו מוצאים μ _שׁוֹר = 0.034 ± 0.02 לחיכוך על גרפן על נחושת מחומצן ו- μ _unox = 0.093 ± 0.02 לחיכוך על גרפן על נחושת חשופה.

2.2. מתנפנף כפרשנות איכותית

לפני כן הוצע כי העקירה הרוחבית של הקצה המחליק מעל גרפן יכולה לגרום לגרפן להרים באופן מקומי מהמצע, ויוצר בליטה מול הקצה, כאשר האינטראקציה עם הקצה עם הגרפן חזקה מספיק ביחס להדבקה של גרפן-מכה. מחקרי AFM שיטתיים לחומרים שכבות שונים הראו כי התלהבות זו היא תופעה אוניברסאלית לחומרים דבקים או מושעים בחופשיות בחופשיות. 3,8,15,32,33 בתורם, הוא מודחק לדבק חזק במצעים. 15

אנו מפרשים את הממצא הניסיוני שלנו כי החיכוך נמוך בנחושת מחומצן כתוצאה מהפחתת ההשפעה המדהימה על Cu₂O ביחס לנחושת לא מחומצת. הוכח כי גרפן מפגין הידבקות חזקה על תחמוצות אחרות, אל₂O₃ ו- SI₂O, חזק כמעט באותה מידה כמו זה ב- Fe. 21 מכיוון שידוע כי ההדבקה צומחת עם קבוע דיאלקטרי של המצע והערך של ε _CU2O = 18.1 עבור cu₂O הוא הרבה יותר גבוה מזה של SI₂O של ε _סִי2O = 3.5, 34 יכולנו לצפות שההדבקה של גרפן תהיה חזקה עוד יותר ב- CU₂O מאשר ב- Si₂O.

בחלק הבא אנו משתמשים בחישובי DFT כדי לחקור אם ההדבקה בין גרפן ל- Cu או לא₂O שונה מספיק מזה שבין גרפן לנחושת חשופה כדי לתמוך ברעיון שהפוצץ מודחק על ידי חמצון המצע. ושנית, אנו שואפים להסביר מדוע דיכוי ההפלה הזה מלווה בהפחתה כה עקבית של חיכוך.

בנוסף לעלייה בהדבקה של גרפן-מצע, אנו יכולים לדמיין שתי תרומות נוספות להפחתת הפחתה של גרפן על תחמוצת. הראשון הוא שחספוס מצע גבוה יותר עשוי להפחית את ההדבקה בין הקצה לגרפן ובכך לדכא את האפקט המפוצץ ביניהם. 35 מדדנו חספוס RMS עבור הגרפן ב- Cu₂O של 0.7 ננומטר, אכן גבוה יותר מחספוס 0.4 ננומטר לגרפן על נחושת חשופה. שכבת הגרפן על נחושת חשופה מציגה נטייה גבוהה יותר מאשר על נחושת מחומצן, גם אם המצע האחרון מעט יותר מחוספס. השפעה נגד אינטואיטיבית זו מוסברת על ידי רמת ההדבקה השונה המוערכת על ידי חישובי DFT, מה שמקל על הגרפן לעוות עיוות מחוץ למטוס הרבה יותר קל על המצע הדבק חלש. השנייה היא שעליית הנפח עקב חמצון מקומי של המצע מציגה זן מתיחה בשכבת -שכבת הגרפן, מתיחה קמטים והופכת את הגרפן פחות נוטה לעטוף סביב קצה הקצה. אף אחת מהתרומות הנוספות הללו לא צפויה להספיק בכדי להסביר את הירידה הדרמטית בחיכוך.

2.3. חישובי DFT

המבנים המותאמים של גרפן הספוגים בארבעת המצעים הנחשבים מוצגים באיור. 5, יחד עם אנרגיות הכריכה המחושבות, e _ב ומרחקים, ד . התוצאה של גרפן על נחושת חשופה, הנמצאת במגוון האופייני לאינטראקציות פיזיסורציה, תואמת את החישובים התיאורטיים הקודמים. 36–38 איננו מודעים לשום חישובים תיאורטיים קודמים של ספיחת גרפן על תחמוצת הנחושת. החישובים שלנו מגלים כי חמצון הנחושת מוביל לעלייה בהדבקה של גרפן למצע. ניתן להסביר תוצאה זו, שאינה תלויה באוריינטציה פני השטח של התחמוצת, על ידי התחשבות בתגובה השונה של אטומי ה- Cu בדגימות הנקיות והמחומצן: אטומי ה- Cu של המצע היסודי תפסו באופן מלא את האורביטלים והפחות מגיבים, כאשר הם נחשפים על פני השטח מהמתחם עם השטח של השטח של שלושת המנהלים, עם חצאיות, עם חצאיות, עם חצאיות, עם חצונם של השטח, עם ה- Rescodation, עם ה- Rescations, אתרים מוגדרים על פני השטח שהם מגיבים יותר. 39 ב- CU₂O (111) מצע, בפרט, אטומי הנחושת המתואמים מתחת לתאם נוטים ליצור קשרים כימיים עם אטומי הפחמן שלמעלה, המציגים עיוותים קלים מחוץ למטוס בשכבת הגרפן ומגדיל את אנרגיית הכריכה שלו על ידי יותר מגורם שני ביחס לנחושת טהורה.

תאנה. 5 תוצאות DFT עבור הגיאומטריות, אנרגיות מחייבות, e ב ומרחקי מליטה, D עבור גרפן על (א) Cu (111), (b) cu2O (100): CU, (C) CU2O (100): o ו- (d) cu2O (111).

התוצאות שדווחו באיור. 5 חושבו בתוך קירוב ה- LDA. אלה המתקבלים באמצעות פונקציות חילופי אחרות, כולל גם האינטראקציות של ואן דר וואלס, מדווחים ב- ESI.† חשוב מכך, המגמה שנצפתה בקשירת גרפן על המצעים השונים נפוצה לכל הפונקציונליות הנחשבות.

ההבדל באנרגיות קשירה שהחישובים שלנו חשפו עבור גרפן ב- CU יסודי ומחומצן, יכול להיות קשור להבדל בתכונות החיכוך שנצפו בניסויים שלנו. בפרט, עלינו לצפות כי העלייה באנרגיה המחייבת המתרחשת עם חמצון של מצע ה- Cu מדכאת את האפקט המפוצץ. אכן, כפי שהוצע להסביר את התנהגות החיכוך השונה של סרטי גרפן רב שכבתי על מצעים שונים, 15 צמצום של פקעות גרפן מביא לירידה בחיכוך. כאן, נבדוק את הקשר בין פוצץ לחיכוך בפירוט נוסף. כאמור במבוא, הוצעו שתי השערות עיקריות בהקשר זה, כלומר עליית שטח המגע הנגרם כתוצאה מהיווצרות בליטה מול הקצה ועליית יכולת ההתחייבות בין קצה לגרפן, המאפשרת הגמישות של גרפן על משיכה חלשה מצעים. זה נראה לא מציאותי שאחת מההשפעות הללו או אפילו שילוב של השניים עלולים להוביל להפחתה שנצפתה בחיכוך בכמעט גורם שלוש.

כאן אנו מציגים הסבר חדש, המבוסס על ניתוח התגובה הכימית של גרפן כפונקציה של עקמומו. בפרט, אנו מציעים כי זלוף גרפן מלווה בשינוי בהכלאה של אטומי הפחמן מ- SP 2 ל- sp 3 -כמו, עם עלייה מקבילה בתגובה בגלל הופעתם של קשרים משתלשלים. השערה זו תואמת את התצפית כי מולקולות מים כימיות דיסוציאטיות באזורי גרפן מעוקלים, בעוד שהן פיזיות חלשות על גרפן שטוח, כפי שנחשף על ידי הדמיות דינמיות QM/MM שבוצעו על ידי הקבוצה שלנו. 40

כדי לאמת השערה זו, אנו מחשבים את ההשפעה של עקומות שונות על אנרגיית השטח של גרפן עמידה חופשית. כפי שמוצג באיור. 6b, כאשר העקמומיות הנחשבת זהה לזה של איור. 5d, עיוות קטן מחוץ למטוס, הנגרם על ידי האינטראקציה עם ה- Cu₂O (111) מצע, אינו גורם לעלייה משמעותית של אנרגיית השטח ביחס לגרפן שטוח (איור. 6 א). לעומת זאת, 0 האכיפה.3 ננומטר מטלטל באיור. 6C מלווה בגידול עצום של אנרגיית השטח על ידי 4 J M −2 . מבנה הגרפן המעוקל של איור. 6C הושג על ידי אופטימיזציה מבנית של מערכת גרפן עומדת חופשית המורכבת מ -50 אטומי פחמן בתא-על שזאת האזור במטוס נעשה בכוונה ב -19% מגודל שיווי המשקל. אף על פי שיש לראות במצב מתוח מאוד זה כהגזמה ביחס לתצורות האופייניות שצריך לצפות במקרה של התנופה הנגרמת על ידי קצה, הדוגמה של איור. 6C שימושי כדי להדגיש את העלייה העצומה באנרגיה המוצגת בגרפן על ידי העיוות המפוצץ.

תאנה. 6 תוצאות DFT עבור הגיאומטריות, אנרגיות השטח ועיוותים מחוץ למטוס של גרפן עם שלוש עקמומיות שונות. (א) גרפן שטוח, עמידה חופשית, (ב) גרפן מעוקל קלות ב- Cu2O (111) ו- (ג) גרפן עומד חופשי עם עקמומיות חזקה, שהוטל על ידי דחיסה לרוחב של 19%. אנרגיות השטח באה לידי ביטוי כהבדל ביחס לערך לשכבת הגרפן העומדת חופשית.

העלייה באנרגיה, ומכאן בתגובתיות של הגרפן נובעת מחלוקה מחודשת של המטען האלקטרוני ברשת הפחמן. כדי להמחיש אפקט זה, חישבנו את סידור מחדש של המטען המתרחש לשכבות גרפן שטוחות ומפוצצות, כאשר הן נוצרות מסידור היפותטי של אטומי C שאינם אינטראקציה בתחילה, הממוקמים באותה מיקום. כפי שמוצג באיור. 7, האינטראקציה בין פחמן -פחמן גורמת להצטברות מטען (באדום) לאורך קשרי הגרפן והידלדלות מקבילה (בכחול) מאזורים אחרים בין האטומים, e.ז. , ממרכז טבעות הגרפן, שם חפיפות התפלגות צפיפות האלקטרונים של האטומים שאינם אינטראקציה בתחילה חפיפה. על ידי השוואה בין תצוגות הצד העליונות והצד באיור. 7b ו- d עבור המבנה המפואר עם התצוגות המתאימות באיור. 7 א ו- C לסידור שטוח, אנו מכירים בכך שהקשרים לאורך מדרונות הגרפן המעוקל מכילים כמות גדולה יותר של מטען מאלו שבגרפן שטוח וכי מתרחשת דלדול מטען גדול יותר מעל ומתחת לאטומים אלה, מה שמצביע 2 . שינוי זה בצפיפות האלקטרונית בא לידי ביטוי גם באיור. 8 במבנה הלהקה של הגרפן המעוקל, בו נפתח פער בנקודת k המעוותת את חרוטים של דיראק ומסלקת את נקודת Dirac, שתי התכונות המגדירות במבנה הלהקה של גרפן שטוח.

תאנה. 7 תוצאות DFT עבור חלוקת המטען האלקטרוני, כאשר האינטראקציות הן ‘מתחלף’ על אטומי הפחמן בגרפן שטוח (לוחות A ו- C) ובגרפן מפוצץ (לוחות B ו- D). צבעים אדומים וכחולים מצביעים על הצטברות והידלדלות צפיפות האלקטרונים, בהתאמה. ואילו ההפצה המחודשת לשכבה השטוחה ממחישה עבור ה- SP 2 מליטה ברשת הגרפן, הידלדלות המטען במרכזי הטבעות המשושה מעידה על אובדן האורביטלים P והמעבר המקומי מ- SP 2 ל- SP 3 תְצוּרָה.

תאנה. 8 מבנה להקה אלקטרונית לגרפן שטוח (שחור) וגרפן (אדום), לאורך שלושה כיווני סימטריה גבוהה באזור ברילואין הראשון של הגרפן. בנוסף לשינויים הנגרמים על ידי עיוותים במעצמות העצמיות המדויקות, הגרף מראה כי נטילת הגרפן מובילה לעיוות כבד של חרוטים של דיראק האופייניים סביב נקודת ה- K ולפתיחה הנלווית של פער אנרגיה משמעותי במקום נקודות דיראק של גרפן שטוח. שינויים אלה במבנה הלהקה באים לידי ביטוי בשינויים בהתפלגות צפיפות המטען של איור. 7 והתגובה המשופרת של הגרפן המעוקל.

התגובה הגבוהה יותר של גרפן מעוקל אינה מושג חדש בספרות: מערכת זו כבר הוצעה כתצורה יעילה לאחסון מימן. 41,42 כעדות נוספת לתגובה המוגברת שלה, אנו מראים ב- ESI † כי אנרגיית הספיחה של מולקולות מימן על גרפן שטוח (+0.91 eV לכל H₂ מולקולה) שונה לגמרי מזו על גרפן מעוקל (−0.36 eV לכל H₂ מולקולה) ובוודאי יותר לטובת האחרונים. לפיכך, החישובים והנתונים הניסויים שלנו מצביעים על השערה חדשה ביחס לאפקט המפוצץ הקיים בניסויים של ננוטרבולוגיה. במקום להגדיל את אזור המגע בין קצה למצע, אנו מציעים כי העברת המטען המוגברת של גרפן מעוקל שמובילה לתגובה מוגברת שיכולה להסביר את החיכוך הגדול יותר בין הקצה לדגימה שנצפתה בניסויים.

3. מסקנות

בהתבסס על המחקר הניסיוני והתיאורטי המשולב שלנו, אנו מסיקים כי החמצון המקומי של מצע ה- Cu מתחת לשכבה חד -שכבית של גרפן מוביל לעלייה משמעותית בהדבקה של הגרפן למצע ולהפחתה בהתאם לאפקט האפקט. הירידה הנלווית בכוח החיכוך הנמדד כל כך גדולה עד שלא ניתן לייחס אותה אך ורק לשינויים באזור המגע או בשמירה מקומית. כתרומה הדומיננטית להבדל הגדול בחיכוך אנו מזהים את השינוי במבנה האלקטרוני שהעקומות מציגות באופן מקומי בגרפן הדופק ואת השינויים המתאימים בתגובה, ובכך, ההדבקה והחיכוך בין הגרפן לקצה מיקרוסקופ כוח החיכוך. מכיוון שהגיאומטריה בניסויים יחידים אלה עשויים להיות דומים לתצורות המקומיות במגעים מורחבים ויבשים המשומנים על ידי חד-שכבתי יחיד של גרפן, עלינו לצפות לתלות חזקה דומה של איכויות הסיכה של אנשי קשר כאלה על מצב החמצון של המצע בו גרפן שוכנת. זה אמור להיות רלוונטי בהקשר של מכשירי MEMS ו- NEMs מתקדמים בהם מיושם או נחשב שימון גרפן.

4. חומרים ושיטות

4.1. נִסיוֹנִי

לניסויים שלנו השתמשנו בדגימות גרפן באיכות גבוהה, חד-שכבתי, שהתקבלו מננו-שכבות יישומיות B.V. (Anl). 43 הגרפן גדל על ידי תצהיר אדי כימי (CVD) על סרטי נחושת דקים של פולי -קריסטלין. סרטי נחושת אלה נוצרו על ידי התמצית התנופה של נחושת על ספיר (111) פלים (קוטר 51 מ”מ, עובי 750 מיקרומטר). עובי סרט הנחושת היה 1 מיקרומטר. גרגרי הנחושת בסרט הראו העדפה חזקה לכיוון השטח (111). דגימות הגרפן-על-נחושת נבדקו בשלבים שונים בניסוי במיקרוסקופיה אופטית ועם ספקטרוסקופיה של ראשייה עם אורך גל עירור של 514 ננומטר. מדידות הספקטרוסקופיה של ראמן נערכו בגודל נקודה של כ -1 מיקרומטר שיכולים להיות ממוקמים ביחס לתכונות בתמונות המיקרוסקופיה האופטית עם דיוק של מספר מיקרומטר. מדידות טופוגרפיה מדויקות יותר ומדידות כוח לרוחב נעשו באמצעות אייקון Bruker AFM, באמצעות בדיקות SI3N4 בצורת V (DNP-10). כיול הכוח הרגיל והרוחבי בוצע על פי השיטה שנדונה ב- Ref. 44 ו -45.

4.2. תֵאוֹרֵטִי

ביצענו חישובי תיאוריה פונקציונלית של צפיפות (DFT) בתוך גלי המטוס/תוכנית פסאודו-פוטנציאלית, 46 בהתחשב בקירובים שונים עבור פונקציונלי המתאם בבורסה, כלומר קירוב הצפיפות המקומית (LDA), קירוב השיפוע הכללי כתוצאה מ Perdew, Burke ו- Ernzerhof (PBE), 47 ותכנית ה- PBE-D-D-de-D-D-De-D-D-De-D-D-De-D-D-D-dew, 47, 47, 47, 47), 47), 47). האחרון כולל אינטראקציות של ואן-דדר-וואלס בגישה האמפירית החצי שהציעה גרימה. 48

חקרנו ספיחת גרפן הן על נחושת והן על תחמוצת נחושת. במקרה של נחושת, שקלנו את המשטח (111), כמשטח היציב ביותר של חומר זה ואת זה המועדף, כפי שנמצא בניסויים, ואילו עבור Cu₂O שקלנו שלוש אוריינטציות פני השטח השונות, על מנת לנתח את ההשפעות של סטואיציומטריות פני השטח השונות. בפרט, שקלנו את ה- CU₂O (100): משטח Cu, מסתיים עם שכבת נחושת; ה- CU₂O (100): o פני השטח, מסתיים עם שכבת חמצן, ו- Cu₂O (111) פני השטח, מסתיימים עם שכבה המכילה נחושת וגם חמצן ביחס הסטואיציומטרי 2: 1. היציבות היחסית של משטחים אלה משתנות כפונקציה של הפוטנציאל הכימי של חמצן. 39

ספיחת גרפן על מצעי נחושת ותחמוצת נחושת אלו נחקרה באמצעות תאי -על תקופתיים המכילים לוח מצע ואזור ואקום של 1 ננומטר ו -1.עובי 5 ננומטר, בהתאמה. גודל המטוס של תאי העל נבחר על פי חוסר ההתאמה של הסריג בין שכבת הגרפן למצע: התא (1 × 1) שימש עבור Cu (111), תא (3 × 3) עבור Cu₂O (100), ותא (2 × 2) עבור ה- Cu₂O (111) פני השטח. עבור כל המערכות הנחשבות, אי התאמת הסריג הנותר בין גרפן למצעים הייתה סביב 2.5%. אנו מחשבים את האנרגיה המחייבת גרפן על מצע כ- e _ב = (ה_מצע + ה _גראפ – ה _{כּוֹסִית})/ A, כאשר א ‘הוא האזור במטוס של הסופר-תא הנחשב, ה _מצע (ה _גראפ) היא האנרגיה הכוללת של תא -על המכיל את המצע המבודד (גרפן) ו- E _{כּוֹסִית} היא האנרגיה הכוללת של אותו תא סופר המכיל את הגרפן הספוג על המצע הנחשב. מדווחים על פרטים חישוביים נוספים ב- ESI, † יחד עם התוצאות הנוגעות למבנים בתפזורת.

תרומות מחבר

עמ ‘. V. אנטונוב: חקירה, ביצוע עבודות ניסיוניות, טיוטה כתיבה-מקורית. עמ ‘. Restuccia: חקירה, ביצוע חישובים תיאורטיים, ביקורת כתיבה ועריכה. M. ג. Righi: המשגה של העבודה התיאורטית, פיקוח, סקירה ועריכה של כתיבה. י. W. M. פרנקן: המשגה של העבודה הניסיונית, פיקוח, ביקורת כתיבה ועריכה.

ניגוד עניינים

הכותבים מצהירים כי אין להם אינטרסים פיננסיים מתחרים או קשרים אישיים שהיו יכולים להשפיע על העבודה המדווחת במאמר זה.

תודות

הניסויים בוצעו ב- ARCNL, שותפות ציבורית-פרטית של אוניברסיטת אמסטרדם (UVA), אוניברסיטת VU אמסטרדם, מועצת המחקר ההולנדית (NWO) ויצרנית ציוד המוליכים למחצה ASML. התוצאות התיאורטיות הן חלק מפרויקט השקופיות שקיבל מימון ממועצת המחקר האירופית (ERC) במסגרת תוכנית המחקר והחדשנות של האיחוד האירופי 2020. (הסכם מענק לא. 865633).

הפניות

1. ג. לי, x. Wei, J. W. Kysar ו- J. Hone, Science, 2008, 321, 385 CrossRefcaspubmed.
2. O. פנקוב, ח.-י. קים, ח.-י. קים וד.-ה. קים, אינט. י. Precis. Eng. MANUF. , 2014, 15, 577–585 Crossref.
3. עמ ‘. אגברטס, ז. ח. האן, x. Z. ליו, א. T. ג. ג’ונסון ור. W. Carpick, ACS Nano, 2014, 8, 5010 CrossRefcaspubmed.
4. א. י. מרסדן, מ. פיליפס ונ. ר ‘. Wilson, Nanotechnology, 2013, 24, 255704 CrossRefcaspubmed.
5. י. ג. צ’וי, ג ‘.-ג. קים, i.-ג. Byun, d. ח. לי, מ. י. לי, ב. ח. פארק, ג. לי, ד. יון, ח. צ’ונג, ק. ח. לי, y.-W. בן, ג ‘. Y. פארק ומ ‘. Salmeron, Science, 2011, 333, 607 CrossRefcaspubmed.
6. T. Demirbaş ו- M. Z. Baykara, J. מטר. מילואים. , 2016, 31, 1914 CrossRef.
7. ח. לי, נ. לי, y. SEO, J. Eom and s. Lee, Nanotechnology, 2009, 20, 325701 CrossRefpubmed.
8. T. פילטר, ג ‘. L. מקצ’סני, א. בוסטוויק, ה. רוטנברג, ק. V. Emtsev, t. Seyller, k. קרן ור. Bennewitz, Phys. לְהַאִיץ. Lett. , 2009, 102, 086102 CrossRefCaspubmed.
9. Z. דנג, א. סמוליאניצקי, ש. Li, f. Xi-qiao ו- r. י. קנארה, נט. מטר. , 2012, 11, 1032 CrossRefCaspubmed.
10. ד. Marchetto, t. פזר ומ ‘. Dienwiebel, חיכוך, 2015, 3, 161 Crossrefcas.
11. ד. Marchetto, c. מוחזק, f. Hausen, f. Wählisch, m. Dienwiebel ו- r. Bennewitz, Tribol. Lett. , 2012, 48, 77 Crossrefcas.
12. ק.-ג. קים, ח.-י. לי, ג. לי, ש.-ק. לי, ח. ג’אנג, j.-ח. אהן, ג ‘.-ח. קים וח ‘.-י. Lee, ACS Nano, 2011, 5, 5107 CrossRefcaspubmed.
13. ד. ברמן, א. ארדמיר וא. V. Sumant, ACS Nano, 2018, 12, 2122–2137 CrossRefCaspubmed.
14. M. שולזנדורף, א. Hinaut, m. קיסיאל, ר. Jöhr, r. Pawlak, p. רסטוקיה, ה. מאייר, מ. ג. Righi ו- T. Glatzel, ACS Nano, 2019, 13, 5485 CrossRefcaspubmed.
15. ג. לי, ש. Li, w. KALB, x.-Z. ליו, ח. ברגר, ר. W. קרפיק וג’. Hone, Science, 2010, 328, 76 CrossRefcaspubmed.
16. Z. יה, ג. טאנג, y. דונג וא. מרטיני, ג ‘. Appl. פיזיול. , 2012, 112, 116102 Crossref.
17. ש. Li, c. לי, ר. W. קרפיק וג’. Hone, Phys. סטטוס סולידי B, 2010, 247, 2909 CrossRefcas.
18. ג. Li, q. Li, r. W. קרפיק, עמ ‘. Gumbsch, x. Z. ליו, x. דינג, ג ‘. שמש וג ‘. Li, Nature, 2016, 539, 541 CrossRefcaspubmed.
19. ג. ג’אנג, y. הו, ש. Li, l. ליו, z. ג’אנג, x.-ש. פנג ו- q. Li, Proc. נטל. ACAD. מדע. U. ג. א. , 2019, 116, 24452 CrossRefCaspubmed.
20. נ. א. Vinogradov, א. א. זכארוב, v. Kocevski, J. רוש, ק. א. סימונוב, o. אריקסון, א. Mikkelsen, e. לונדגרן, א. ג. Vinogradov, n. Mårtensson ו- A. ב. Preobrajenski, Phys. לְהַאִיץ. Lett. , 2012, 109, 026101 Crossrefcas.
21. עמ ‘. רסטוצ’יה ו- m. ג. Righi, Carbon, 2016, 106, 118 Crossrefcas.
22. ד. Marchetto, p. רסטוקיה, א. Ballestrazzi, m. ג. רייגי, א. ROTA ו- S. Valeri, Carbon, 2017, 116, 375 Crossrefcas.
23. איקס. זאנג, ש. Zhou, J. צ’אנג, y. ליו ול. לין, מיקרואלקטרון. Eng. , 2015, 132, 192 CrossRefcas.
24. איקס. אוהד, א. ד. סמית ‘, f. פורסברג, ש. וגנר, ש. שרדר, ש. SAYEDEH, א. אקברי, א. ג. פישר, ל. Guillermo Villanueva, M. Östling, m. ג. Lemme ו- f. ניקלאוס, מיקרוסיסט. ננוונג. , 2020, 6, 17 CrossRefcaspubmed.
25. Y. y. וואנג, z. ח. Ni, t. יו, ז. איקס. שן, ח. M. וואנג, y. ח. וו, w. חן וא. T. ג. Wee, J. PHYS. Chem. C, 2008, 112, 10637 Crossrefcas.
26. L. M. מלארד, מ. א. פימנטה, ז. Dresselhaus ו- M. ג. Dresselhaus, Phys. נציג. , 2009, 473, 51 Crossrefcas.
27. ג. ד. קוסטה, א. רייגי, ג. פנטיני, y. האו, ג. מגנוסון, ל. קולומבו, ר. ג. Ruoff ו- M. א. פימנטה, קומון מדינה סולידית. , 2012, 152, 1317 Crossrefcas.
28. ד. L. Duong, g. ח. האן, ש. M. לי, f. אקדחים, ה. ג. קים, ש. T. קים, ח. קים, ש. ח. Ta, k. עמ ‘. אז, ש. י. יון, ש. י. Chae, y. W. ג’ו, מ. ח. פארק, ש. ח. Chae, s. ג. Lim, J. Y. צ’וי ו- y. ח. Lee, Nature, 2012, 490, 235 CrossRefcaspubmed.
29. ב. ק. מאייר, א. מדיניות, ד. Reppin, m. בקר, עמ ‘. Hering, b. קרם, עמ ‘. י. קלר, ט. סנדר, ג. Reindl, c. הייליגר, מ. היינמן, ג. Müller ו- C. רונינג, במוליכים למחצה וב- Semimetals ed. ב. ז. Svensson, s. י. פרטון ו. Jagadish, Elsevier, 2013, כרך. 88, Ch. 6 חיפוש ב- PubMed.
30. איקס. יין, y. Li, f. Ke, c. לין, ח. Zhao, l. גאן, z. לואו, ר. Zhao, t. ג. היינץ וזי. הו, ננו מיל ‘. , 2014, 7, 1613 CrossRefcas.
31. M. הואנג, ח. יאן, ג. חן, ד. שיר, t. ג. היינץ וג ‘. Hone, Proc. נטל. ACAD. מדע. U. ג. א. , 2009, 106, 7304 Crossrefcas.
32. ג. לי, x. וויי, ש. Li, r. Carpick, J. W. Kysar ו- J. Hone, Phys. סטטוס סולידי B, 2009, 246, 2562 CrossRefcas.
33. T. פילטר ו- r. Bennewitz, Proc. נטל. ACAD. מדע. U. ג. א. , 2010, 81, 155412 חיפוש PubMed.
34. ג. M. שיר וב. י. Cho, Nanotechnology, 2010, 21, 335706 CrossRefpubmed.
35. י. ג. חנית, j. עמ ‘. קסטרב וג’. ד. Batteas, Nanostale, 2015, 7, 10021 RSC.
36. עמ ‘. א. Khomyakov, g. Giovannetti, p. ג. רוסו, ז. Brocks, J. ואן דן ברינק ו- P. י. קלי, פרוק. נטל. ACAD. מדע. U. ג. א. , 2009, 79, 195425 Search PubMed.
37. Z. XU ו- M. י. Buehler, J. PHYS.: קונדנס. Matter, 2010, 22, 485301 CrossRefpubmed.
38. ג. גונג, ז. לי, ב. שאן, ה. M. פוגל, ר. M. וואלאס וק. Cho, J. Appl. PHYS. , 2010, 108, 123711 Crossref.
39. א. בקרוב, מ. טודורובה, ב. דלי וג. Stampfl, Proc. נטל. ACAD. מדע. U. ג. א. , 2007, 75, 125420 חיפוש PubMed.
40. עמ ‘. רסטוקיה, מ. פראריו ומ ‘. ג. ריי, פחמן, 2020, 156, 93 Crossrefcas.
41. ג. גולר, ג. קולטי, v. Tozzini, v. Piazza, t. Mashoff, f. Beltram, v. פלגריני וס. Heun, J. PHYS. Chem. C, 2013, 117, 11506 Crossrefcas.
42. V. ג’יין וב. Kandasubramanian, J. מטר. מדע. , 2020, 55, 1865 Crossrefcas.
43. ננו -שכבות יישומיות ב.V., חומרים דו ממדיים, דלפט, הולנד, 2021, הוחזרו ב- 13 בספטמבר 2022 מ- https: // www.AppliedNananolayers.com/ מוצרים/ חיפוש PubMed.
44. ר ‘. י. קנארה, מ. אגלין ור. W. Carpick, Rev. מדע. כלי. , 2006, 77, 053701 Crossref.
45. M. L. ב. Palacio ו- b. Bhushan, Crit. לְהַאִיץ. Solid State, 2010, 35, 73 Crossrefcas.
46. עמ ‘. ג’יאנונוצי, ש. ברוני, נ. בוניני, מ. קלנדרה, ר. מכונית, ג. Cavazzoni, d. Ceresoli, g. L. Chiarotti, m. Cococcioni, i. דבו, א. דל קורסו, ש. de Gironcoli, s. פבריס, ז. פרטיסי, ר. Gebauer, u. גרסטמן, ג. Gougoussis, א. Kokalj, m. Lazzeri, l. מרטין-סמוס, נ. מרזארי, f. מאורי, ר. Mazzarello, l. Paulatto, c. Sbraccia, s. סקנדולו, ז. Sclauzero, א. עמ ‘. Seitsonen, א. Smogunov, p. אומארי ור. M. Wentzcovitch, J. PHYS.: קונדנס. Matter, 2009, 21, 395502 CrossRefpubmed.
47. י. עמ ‘. Perdew, k. בורק ומ. ארנזזוף, פיז. לְהַאִיץ. Lett. , 1996, 77, 3865 CrossRefCaspubmed.
48. ג. גרימה, j. מחשוב. Chem. , 2006, 27, 1787 CrossRefCaspubmed.