可变湿度环境下利用外加电场调控纳尺度摩擦行为的研究

在纳米尺度，材料表界面效应显著增强，与表面相关的一些力如表面粘着力、摩擦力等成为导致微纳器件失效的重要因素，而传统的摩擦控制方法在纳尺度下存在诸多局限性。从纳尺度摩擦的起源考虑，通过外电场作用对摩擦体系间的相互作用过程进行调控来控制纳尺度摩擦大小是新近发展起来的新方法,具有潜在的应用价值。本项目拟采用原子力显微镜进行纳尺度摩擦实验，研究外加电场与环境湿度耦合作用对针尖与基底间纳尺度摩擦大小的影响，同时研究外加电场对针尖与基底黏附特性和受限毛细水桥流变特性的影响；并根据实验过程，建立合理的物理模型，结合计算机模拟方法对外加电场的影响机制进行理论分析。本项目研究综合考虑环境因素与外加电场对纳尺度摩擦行为的耦合影响，有助于我们进一步了解这种新的纳尺度摩擦控制方法的调控效果，并拓展其应用范围。

在微纳机电系统中，为了维持各部件之间的稳定滑动，保证器件工作的稳定性，常常需要对摩擦力进行有效的控制。目前，硅基材料仍然是微纳器件应用中的主流，而石墨烯，纳米氧化锌等新型材料有着优异物理力学性质，在微纳器件中越来越显示出强大的应用潜力。因此，本项目主要针对氧化石墨烯，石墨烯薄膜，单晶硅、云母等材料，重点研究了外加电场作用对材料表面纳尺度摩擦特性的影响，得到了外电场对材料表面摩擦力的影响规律，并对其作用机制进行了深入分析；同时对石墨烯的结构与摩擦和力学性能间的关系进行了研究，通过分子动力学模拟，得到了SW拓扑缺陷与单层石墨烯薄膜拉伸力学性能之间的关系，而通过石墨烯薄膜进行热处理，发现了其表面结构的变化对摩擦特性的影响。此外，我们对相关材料在其他方面的性能如石墨烯的光催化，氧化锌纳米棒的力电耦合性能进行了研究。