亚纳米磁致伸缩效应诱导的石墨烯嵌层表面摩擦学行为

In recent years, researches on controlling surface tribological behavior at the atomic scale in nano-mechanical system have attracted a lot of interests. The atoms rearrangement at the contact interface induced by magnetostriction effect under magnetic field makes it possible for the atomic-scale control of tribological behavior. Therefore, this application proposed a scientific problem of “Sub-nanometer magnetostriction effect induced tribological behavior of graphene sheets embedded surface”, and will carry out researches on the origin of sub-nanometer magnetostriction effect of embedded graphene sheets and the nano-scale friction and wear behavior of graphene sheets embedded surface induced by the magnetostriction effect. Combining the measurements of the charge distribution of graphene sheets embedded surface under magnetic field and density functional theory, the origin of magnetostriction effect is explored based on the spin electron coupling effect. Nano-friction tests are conducted under magnetic field to evaluate the friction force of the graphene sheets embedded surface as a function of the magnetic field intensity, and the tuning effect of the magnetostriction effect induced real contact area variation on the friction force is clarified. Nano-wear tests are performed under magnetic field to obtain the wear depth of the graphene sheets embedded surface as a function of the magnetic field intensity, and the influencing mechanism of the magnetostriction effect induced bond structure change on the nano-wear is elucidated. This research will provide new method for the controlling of the nano-surface tribological behavior.

针对纳米机械系统，在原子尺度下控制表面摩擦学行为是近年来研究的热点与难点。磁场作用下表面材料的磁致伸缩效应引发的接触界面原子排布变化为实现原子级的摩擦学行为调控提供可能。因此，本研究提出“亚纳米磁致伸缩效应诱导的石墨烯嵌层表面摩擦学行为”这一科学问题，围绕石墨烯嵌层亚纳米磁致伸缩效应的产生原理，磁致伸缩效应诱导下石墨烯嵌层表面的纳米摩擦和磨损特性开展研究。通过测试磁场作用下石墨烯嵌层表面的电荷分布，结合密度泛函理论探索自旋电子耦合作用诱导的磁致伸缩效应产生原理。通过磁场条件下的纳米摩擦测试，得到石墨烯嵌层表面纳米摩擦力随磁场强度的变化规律，阐明磁致伸缩效应诱导下真实接触面积变化对纳米摩擦力的调控作用。通过磁场条件下的纳米磨损测试，得到石墨烯嵌层表面纳米磨损深度随磁场强度的变化规律，澄清磁致伸缩效应诱导下表面键合结构转变对纳米磨损的影响机制。研究结果为纳米表面的摩擦学行为调控提供新方法。

针对微/纳米机械系统，如何有效调控微/纳米尺度下的摩擦磨损问题成为迫切需要解决的问题。磁场条件下表面材料的磁致伸缩效应诱导的接触界面原子排布变化为实现原子级的摩擦学行为调控提供了创新设计思路。本项目围绕自旋电子耦合作用诱导的石墨烯嵌层亚纳米磁致伸缩效应、磁致伸缩效应诱导下真实接触面积变化对纳米摩擦的调控作用、磁致伸缩效应诱导下石墨烯键合结构转变对纳米磨损的影响机制等三项内容开展实验与理论研究。. 针对石墨烯嵌层亚纳米磁致伸缩效应的产生原理，利用ECR等离子体低能电子照射技术实现了磁性石墨烯嵌层碳膜的可控制备；测量了不同磁性石墨烯嵌层碳膜的表面电势，发现碳膜的表面电势随其磁性增强而增强；采用密度泛函理论计算了石墨烯纳米带边缘俘获自由电子时其几何结构的变化，发现了石墨烯边缘俘获的自由电子由于自旋耦合作用导致边缘碳-碳键长发生变化，进而产生亚纳米级的磁致伸缩效应。. 针对磁致伸缩效应诱导的纳米摩擦特性，设计搭建了原子力显微镜外加磁场装置，在外加磁场条件下测量了石墨烯嵌层碳膜表面的纳米摩擦力，发现磁场作用下碳膜的纳米摩擦力显著增加，并且摩擦力随着磁场强度的增加而增加。结合分子动力学与实验方法研究了磁场诱导的摩擦增强效应的机理，提出磁场作用下石墨烯嵌层的磁致伸缩效应导致接触区域真实接触面积增加，进而导致碳膜的纳米摩擦力增加。. 针对磁致伸缩效应诱导的纳米磨损特性，利用原子力显微镜金刚石探针在外加磁场条件下测量了石墨烯嵌层碳膜的纳米磨损特性，发现外加磁场可以调控石墨烯嵌层碳膜的纳米磨损特性，随着外加磁场强度的增加，石墨烯嵌层碳膜的纳米磨损深度减小。结合分子动力学模拟提出了磁致伸缩效应诱导下石墨烯键合结构转变对碳膜纳米磨损行为的影响机理。. 本项目开发了外加磁场条件下纳米摩擦学特性测试的新方法，提出了石墨烯嵌层磁致伸缩效应诱导下的纳米摩擦学特性调控新机制，为微/纳米机械系统表面摩擦特性的调控提供新思路。