微凸起阵列织构对石墨烯表/界面状态及摩擦学行为的影响

In order to reduce the adhesion, friction and extend the wear life of the microelectronic mechanical components in space and information technology, the project proposes a method of graphene surface folding failure in the process of macrotribology through the study of the growth mechanisms of micro-convex array surface of graphene. The interface binding characteristics among micro-convex materials, graphene and substrate are analyzed by the study of surface micro-convex array texture using the template-based sputtering method. The effect of the plasma treatment on the formation of graphene surface defects and mutual influence of foreign atoms adsorbed on graphene are discussed. The influence of micro-convex array on the surface/interface states of graphene is revealed. By surface micro- and macro- tribology research, the changes in the contact interface between the friction pairs and graphene, graphene and the substrate caused by the micro-convex textured during the friction are analyzed. Through the study of the interaction mechanisms between micro-convex texture materials and graphene, the cooperative lubrication mechanisms of micro-convex textured materials and graphene are explored during the friction process. Thus, the research provides an important theoretical guidance for solving lubrication problems and long-life requirements of micro-mechanical components.

为了降低粘着、摩擦以及延长空间和信息技术中微电子机械元件的耐磨寿命，本课题通过研究石墨烯表面微凸起阵列织构的生长机制，提出了一种限制石墨烯在宏观摩擦过程中褶皱失效的方法。通过对模板法溅射生长微凸起阵列织构的研究，探讨等离子处理对石墨烯表面缺陷产生的影响及外来原子吸附与石墨烯之间的相互影响规律，进而分析微凸起材料、石墨烯及基体之间的界面结合特性，揭示微凸起阵列织构对石墨烯表面/界面状态的影响规律。通过表面微观和宏观摩擦学的研究，分析摩擦过程中微凸起织构所引起的摩擦副与石墨烯之间以及石墨烯与基体之间接触界面的改变，通过对微凸起织构材料与石墨烯之间相互作用机制的研究，探讨摩擦过程中微凸起织构材料与石墨烯的协同润滑机制，进而为解决微机械元件的润滑问题及长寿命化要求提供重要的理论指导。

为了降低粘着、摩擦以及延长空间和信息技术中微电子机械元件的耐磨寿命，利用石墨烯超薄的润滑性及高强的力学性能，提出了一种抑制石墨烯表面褶皱效应的微凸起阵列织构的生长方法，该方法可有效地降低石墨烯在接触应力作用下，因层与层之间的滑移，卷曲、堆积现象引起的层片褶皱效应，导致磨损寿命缩短的问题。摩擦过程中微凸起织构材料与石墨烯的协同润滑机制，可以为解决微机械元件的润滑问题及长寿命化要求提供重要的理论指导。项目在执行期间得到的主要成果如下：.1．.研究了不同的金属原子在石墨烯表面吸附以及与石墨烯之间的微观成键机理，获得了石墨烯与其表面生长的金属微凸起阵列织构之间的相互作用机制。理论计算表明，石墨烯层片上的碳空位能够增强Pt与石墨烯之间的交互作用。Pt与石墨烯的吸附能比较大，且吸附的扩散能垒比较高，说明Pt与石墨烯之间形成很强的杂化从而具有较强的共价键，因此使得石墨烯作为SiO2/Si衬底与Pt阵列间的界面层，进一步提高了三者之间的界面结合。.2．.提出了一种在摩擦过程中利用软金属微凸起阵列织构来限制石墨烯褶皱失效的方法。利用模板法溅射生长微凸起阵列织构，分别研究了不同尺寸的微凸起阵列结构生长在石墨烯及SiO2/Si衬底的表面特性。结果表明，在石墨烯表面溅射生长的Pt阵列织构与石墨烯表面发生交互作用，Pt在石墨烯表面由于褶皱效应，以壳状结构生长，且在SiO2/Si衬底表面以平面状结构生长。.3．.对石墨烯、SiO2/Si衬底及分别生长有Pt微凸起结构的石墨烯及衬底的摩擦学性能测试表明，生长有Pt微凸起结构的SiO2/Si衬底具有一定的润滑性能，摩擦系数约0.20左右，低于衬底的0.65，而有石墨烯界面层的SiO2/Si衬底的摩擦系数也具有相似的摩擦系数，但是磨损寿命大幅度提高，均远高于SiO2/Si衬底及生长有Pt微凸起结构的衬底。