復(fù)雜環(huán)境下基底與掃描探針間相互作用的研究.pdf

1、在納米尺度下，受材料尺寸效應(yīng)影響，與表界面相關(guān)的一些作用力顯著增強(qiáng)，它們對(duì)環(huán)境的影響也更為敏感。在空氣環(huán)境中，由于氣體分子的影響，納尺度下材料的物理力學(xué)性質(zhì)與真空相比有較大差異；在納尺度受限環(huán)境中，流體的物理性質(zhì)也能發(fā)生重要改變；而一些外場(chǎng)的作用更是加劇了材料物理力學(xué)性質(zhì)的改變，甚至誘導(dǎo)一些化學(xué)性質(zhì)的變化。這些性質(zhì)的改變一方面會(huì)影響到材料及相應(yīng)器件在實(shí)際應(yīng)用中性能的穩(wěn)定性，另一方面也會(huì)導(dǎo)致一些新原理的產(chǎn)生，因此對(duì)不同的復(fù)雜環(huán)境中材料表面

2、間在納尺度下的相互作用進(jìn)行研究是非常必要的。掃描探針顯微鏡是研究納尺度表面力作用的重要工具，并支持空氣、真空以及外場(chǎng)等多種環(huán)境下的操作，同時(shí)針尖與基底間能形成納尺度的受限環(huán)境，這為研究復(fù)雜環(huán)境下納尺度表面相互作用提供了有利條件，并直接導(dǎo)致針尖物理力學(xué)研究的興起。基于這些，本文利用掃描探針顯微鏡，研究了不同的針尖與新解理云母基底在空氣、真空環(huán)境以及外加電場(chǎng)作用下的粘附和摩擦行為，毛細(xì)凝結(jié)水在受限環(huán)境及電場(chǎng)作用下的物理力學(xué)行為，以及外電場(chǎng)下

3、導(dǎo)電針尖與新解理高定向石墨（HOPG）表面間的相互作用情況，取得了以下進(jìn)展：
　　 （1）研究了空氣和10-3Pa的真空環(huán)境中外加載荷對(duì)氮化硅針尖與云母表面間的摩擦力的影響，發(fā)現(xiàn)在小于20 nN的極低載荷下，空氣和真空環(huán)境中實(shí)驗(yàn)測(cè)得的摩擦力與外加載荷呈近似線性增長(zhǎng)的關(guān)系，表明實(shí)驗(yàn)中針尖與云母表面存在多個(gè)粗糙峰的接觸；且真空環(huán)境下測(cè)得的摩擦力比空氣環(huán)境中測(cè)得的值大，這是由于空氣環(huán)境中云母表面吸附的水膜起了一定的潤(rùn)滑作用。分別用氮化

4、硅針尖和金剛石膜針尖研究了空氣環(huán)境中不同載荷以及外加電場(chǎng)條件下、2μm/s以下速度范圍內(nèi)掃描速度對(duì)摩擦力的影響，發(fā)現(xiàn)隨著掃描速度增大，摩擦力非線性增加，結(jié)合探討原子尺度摩擦起源的熱激發(fā)模型，對(duì)摩擦力與掃描速度的關(guān)系進(jìn)行了理論分析，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證實(shí)了不同的環(huán)境及摩擦體系中摩擦力與掃描速度間的對(duì)數(shù)依賴關(guān)系，即FL：lnvs具有較為普遍的適用性。通過(guò)對(duì)空氣環(huán)境中外加電場(chǎng)條件下氮化硅針尖與云母表面間摩擦力的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)外加電場(chǎng)條件下的摩擦力升高

5、，且隨正或負(fù)偏壓的增加而增大；但外加負(fù)偏壓時(shí)，摩擦力比正偏壓時(shí)升高更顯著，表明外加負(fù)偏壓對(duì)氮化硅針尖與云母表面間的摩擦力有更強(qiáng)的影響。
　　 （2）通過(guò)對(duì)室溫下、空氣和真空環(huán)境中外加電場(chǎng)時(shí)親水性的鍍Pt導(dǎo)電針尖與云母表面的摩擦和粘附特性的研究，我們發(fā)現(xiàn)空氣環(huán)境中對(duì)基底施加負(fù)偏壓時(shí)，摩擦曲線和力－位移曲線呈現(xiàn)明顯與傳統(tǒng)曲線形狀不同的奇特變化，即摩擦曲線完全傾斜而力－位移曲線返回段出現(xiàn)彎折，粘附力明顯較低，當(dāng)不施加偏壓以及偏壓為正時(shí)

6、，曲線形狀不發(fā)生這種變化；在真空環(huán)境中曲線形狀也不受外加偏壓影響，表明空氣中針尖與基底表面間形成的毛細(xì)水凝結(jié)體受外加負(fù)偏壓的影響導(dǎo)致了曲線的異常變化。從力學(xué)角度分析發(fā)現(xiàn)毛細(xì)水凝結(jié)體具有類似于冰的楊氏模量，表明在外加電場(chǎng)的作用下，受限環(huán)境中的毛細(xì)凝結(jié)水在室溫下發(fā)生了相變凝結(jié)形成了類冰狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)利用具有疏水性的鍍金剛石膜導(dǎo)電針尖進(jìn)行類似實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)摩擦曲線出現(xiàn)與鍍Pt 針尖的結(jié)果相似的變化，不同的是其傾斜變化顯示為一個(gè)逐漸發(fā)展的過(guò)程，傾斜程

7、度隨負(fù)偏壓值和保持時(shí)間的增加而加劇，毛細(xì)凝結(jié)體的力學(xué)性質(zhì)也與冰狀結(jié)構(gòu)相近；而力－位移曲線的變化則與鍍Pt 針尖得到的曲線完全不同，即在空氣環(huán)境中外加正偏壓時(shí)曲線跳入接觸后和跳離接觸前均出現(xiàn)嚴(yán)重滯后，且粘附力降低，這顯示正偏壓時(shí)金剛石膜針尖與基底間的毛細(xì)水具有液態(tài)容量水的特征，而其他環(huán)境條件下則無(wú)變化。兩種針尖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，外加偏壓對(duì)針尖與云母基底間摩擦和粘附行為的影響與針尖材料表面性質(zhì)有重要關(guān)系。
　　 （3）在一定濕度的

8、空氣環(huán)境中，通過(guò)對(duì)HOPG基底間施加一定正偏壓，發(fā)現(xiàn)可以在HOPG 表面產(chǎn)生一些具有凸起或凹陷形貌的兩種不同的納米結(jié)構(gòu)。當(dāng)外加負(fù)偏壓較低或保持時(shí)間較短時(shí)，得到的納米結(jié)構(gòu)為凸起形狀，但隨著偏壓增大或保持時(shí)間延長(zhǎng)，凸起的納米結(jié)構(gòu)會(huì)向凹陷結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，且其凹陷深度隨偏壓或保持時(shí)間增加而迅速增大。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩種納結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的電壓閾值隨時(shí)間增加而降低，直到+5 V 左右保持不變；電壓閾值與時(shí)間閾值間存在一定的函數(shù)關(guān)系，結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，我們認(rèn)為

9、形貌轉(zhuǎn)變的最低電壓在4～5 V 之間。對(duì)納結(jié)構(gòu)形成機(jī)理的分析中，我們提出HOPG表面納結(jié)構(gòu)的形成是由于外電場(chǎng)誘導(dǎo)針尖下基底表面與水分子或氧分子間的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的，其形成過(guò)程可分為兩個(gè)階段，先是由于外電場(chǎng)作用下HOPG上集聚大量的空穴誘導(dǎo)空氣中水或氧氣分子在HOPG表面吸附，導(dǎo)致石墨層表面晶格發(fā)生應(yīng)變形成凸起結(jié)構(gòu)，然后由于HOPG 表面凸起結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)龃髮?dǎo)致上層碳鍵斷裂產(chǎn)生空位，誘導(dǎo)水或氧氣分子發(fā)生離解吸附使碳層氧化釋放出CO 或CO2，