纳米尺度界面水及电荷对石墨烯基材料摩擦特性影响的研究

Nanoscale tribological properties are crucial for the stability and longevity of graphene-based micro/nano electromechanical systems (M/NEMS). Microscopic interfacial water and charge are two extensively existed factors of affecting nanoscale tribological behavior in pratical application. In this project, we plan to choose pristine graphene, graphene oxide and reduced graphene oxide as the research targets, utilize an atomic force microscope which equipted with a custom-build temperature and humidity control box，and a new polarization force microscope as well as nanomanipulation technology to quantitatively study the nanoscale friction characteristics of graphene-based materials. This study will be helpful to reveal the wear mechanism of interfacial water and electric charge on graphene-based materials, and provide new ideas to control the friction and reduce wear effectively, as well as improve the operation stability of M/NEMS.

纳米尺度摩擦特性是决定石墨烯基超精细微/纳机电系统（micro/nano electromechanical systems, M/NEMS）稳定性和寿命的关键要素。微观界面水和电荷是在实际应用中普遍存在的影响纳米尺度摩擦行为的重要因素。本项目拟以原始石墨烯、氧化石墨烯及还原态氧化石墨烯为研究对象，利用带有特殊定制温湿控制箱的原子力显微镜(AFM)及新型的扫描极化力显微镜加纳米操纵技术，系统定量研究来自环境中的界面吸附水和AFM针尖注入电荷对石墨烯基材料纳米摩擦行为的影响。该研究将有助于揭示界面水及电荷对石墨烯基材料的磨损机理，为有效控制摩擦、降低磨损，提高M/NEMS运行稳定性提供思路。

微观界面水和电荷是在实际应用中普遍存在的影响纳米尺度摩擦行为的重要因素。本项目以碳基材料，特别是石墨烯体系为主要研究对象，发展带有特殊定制温湿控制箱的原子力显微镜(AFM)及新型的样品带电模式的扫描极化力显微镜，实现了环境湿度对石墨烯体系界面吸附水的调控和表征，发现界面纳米水层的存在能够降低石墨烯表面摩擦力。完成了稳定带电石墨烯体系的构造，并在此基础上研究了相对湿度对电荷寿命以及带电石墨烯基材料纳米摩擦行为的影响。首次发现了水层及电荷注入能诱导石墨烯产生反常的5Å周期的斜方晶格结构。此外，本项目还发现在外电场存在的条件下，AFM针尖与石墨烯基材料的粘附力与其还原程度正相关，并基于此发展了一种基于表面粘滞力表征二维纳米材料局域介电性质的方法。实现了AFM针尖纳米操纵技术构建了高精度的石墨烯-DNA复合纳米结构。完成了一种基于离子辐照技术的碳基材料微纳米结构及表面电势调控并降低材料表面磨擦特性的方法。本项目发展的技术及研究成果为研究石墨烯的微观结构和摩擦特性打开了新的视角，开拓了操控石墨烯物理的新思路。