[发明专利]一种通过表面受限效应调控石墨烯表面摩擦系数的方法

说明书

本发明提供了一种通过表面受限效应调控石墨烯表面摩擦系数的方法，包括以下步骤：用硝酸铁溶液蚀刻表面长有PMMA/石墨烯膜的铜铂；将得到的PMMA/石墨烯膜放入蒸馏水中清洗；将阳极氧化铝片从PMMA/石墨烯膜下方向上捞起，待其干燥后加热使石墨烯膜变平；将其进行丙酮浴；用原子力针尖在接触模式下进行摩擦力测量；将输出电压给出的平均横向力转换为由于悬臂的扭转产生的摩擦力；测量瞬时脱附力曲线；进行分子动力学模拟，得到摩擦力与法向载荷的变化曲线；计算尖端在石墨烯表面上扫描时的相互作用能。本发明采用具有清晰边界，明确结构的纳米孔结构的AAO模板来支撑石墨烯，以通过AFM探索纳米级摩擦的基本过程和实现纳微摩擦力的控制。

技术领域

本发明属于石墨烯薄膜摩擦学技术领域，特别涉及一种通过表面受限效应调控石墨烯表面摩擦系数的方法。

背景技术

众所周知，纳米级的摩擦不利于微/纳米机电系统(M/NEMS)的工作效率、输出功率和应用可靠性。液体润滑是最小化滑动界面摩擦的通常方法，但是纳微尺度下两个相对滑动的接触面之间的剪切压力会使得液体被轻易挤出接触区域，从而导致直接的固-固界面接触以致粘附力和摩擦力的增加。作为替补策略，可以将二维碳材料石墨烯做成非常薄的固态润滑剂。SiC衬底支撑的单层和双层石墨烯薄膜之间的摩擦显示出显着的差异，这种差异被解释为通过角分辨光电子能谱揭示的双层中电子-声子耦合的显着减少。此外，发现摩擦随着石墨烯薄膜从单层向多层的增加而单调递减，与支撑衬底结合较弱。薄膜起皱效应被认为是造成石墨烯层摩擦特性的原因，通过使用原子力显微镜，为了避免可能导致可观察到的表面损伤的磨损，使得随后的摩擦测量显着不同，11个较薄的石墨烯平面是发现比较厚的更易于分层。这种分层导致AFM尖端周围的石墨烯层由于尖端-石墨烯粘附而出现平面外变形，从而产生更大的接触面积和因此更高的摩擦力。值得注意的是，粘合引起的起皱机制可能与较大的接触表现不同。然而，在分子动力学模拟中发现，较大的尖端(2.5或30nm的半径)对摩擦力的影响要大得多，从而提供更大的接触面积。通过在石墨烯上进行氟化，可以调节摩擦力至6倍，主要受面外弯曲刚度或石墨烯最柔软的弯曲声子的影响。具体而言，弹性石墨烯片由于粘附而卡到尖端，而如果片材足够薄且局部起皱，从平面外变形的接触区域需要更多的力来将尖端向前滑动。对于较厚的石墨烯片，即石墨，由于片的弯曲刚度较大，褶皱不明显，因此摩擦较低。然而，因为墨片材是微米或毫米级的，而M/NEMS之间的分离范围可以从1μm/100nm到接触，所以石墨不适合作为M/NEMS的润滑剂。即纳米级的润滑膜是很有前景的，而石墨烯片将是纳米级润滑膜的理想选择。尽管如此，石墨烯界面原子结构(包括面外变形)与粘附，摩擦之间的相互关系仍然具有挑战性，尽管大量研究纳米尺度景观对机械和界面行为的影响石墨烯已经完成了。因此，这需要对石墨烯进行深入研究，这将促进对粘附和摩擦的根本起源的认识，并导致其在未来的M/NEMS器件中的实施。

发明内容

技术问题：为了解决现有技术的缺陷，本发明提供了一种通过表面受限效应调控石墨烯表面摩擦系数的方法。

技术方案：本发明提供的一种通过表面受限效应调控石墨烯表面摩擦系数的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：石墨烯转移

步骤1.1：用硝酸铁溶液蚀刻表面长有PMMA/石墨烯膜的铜铂，直至PMMA/石墨烯膜漂浮到溶液表面；

步骤1.2：将PMMA/石墨烯膜捞起放入蒸馏水中清洗10min，以清洗掉膜上残余的硝酸铁溶液；

步骤1.3：用镊子夹起一块阳极氧化铝片，从PMMA/石墨烯膜下方向上捞起，得到阳极氧化铝支撑PMMA/石墨烯膜；

步骤1.4：将步骤三得到阳极氧化铝支撑PMMA/石墨烯膜静置于空气中干燥；

步骤1.5：加热以使石墨烯膜变平；

步骤1.6：丙酮浴以除去表面的PMMA，得到阳极氧化铝支撑石墨烯膜；

步骤2：摩擦学测试