測量本征石墨烯摩擦力與黏著力的實驗方法

范娜+++郭劍+++彭倍+++姜海

【摘要】石墨烯是目前最重要的納米材料之一，其極低的摩擦系數(shù)有望解決微納米器件服役過程中存在的摩擦學(xué)問題。然而，目前對石墨烯的黏著力及摩擦力的測量一般在各類平基底上完成，基底效應(yīng)對測量結(jié)果的影響難以避免。因此，該研究提出了一套可規(guī)避基底效應(yīng)的，針對本征石墨烯的表面摩擦力及黏著特性測試的實驗方法。

【關(guān)鍵詞】本征石墨烯 摩擦力 黏著力

【基金項目】中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項目（基礎(chǔ)研究類）ZYGX2015J084；電子科技大學(xué)2017年度本科教學(xué)改革“新生研討課建設(shè)項目”（2017XJYX22）。

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）37-0157-01

石墨烯是納米技術(shù)領(lǐng)域里最重要的納米材料之一，是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，是構(gòu)建其它維數(shù)碳質(zhì)材料（如零維富勒稀、一維碳納米管、三維石墨）的基本單元。研究發(fā)現(xiàn)石墨烯表現(xiàn)出獨(dú)特的力、光、電、熱特性，如高達(dá) 130 GPa 的本征強(qiáng)度，是目前強(qiáng)度最高的材料。石墨烯的上述優(yōu)異性能和獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)使其有望在能源領(lǐng)域—太陽能電池、微電子領(lǐng)域—新型晶體管、傳感器 ，材料領(lǐng)域—高性能納米潤滑劑等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。自石墨烯高強(qiáng)度的力學(xué)性能及超薄的潤滑性能經(jīng)理論和實驗驗證之后，學(xué)者開始關(guān)注利用石墨烯的低摩擦系數(shù)來解決微納米器件服役過程中存在的摩擦學(xué)問題，從而達(dá)到降低磨耗、延長器件的使用壽命等目的。然而，目前對石墨烯的黏著力及摩擦力的測量一般在各類平基底上完成，基底效應(yīng)對測量結(jié)果的影響難以避免。因此，目前暨待提出一套簡便、可靠、尤其可規(guī)避基底效應(yīng)的，針對本征石墨烯的表面黏著及摩擦特性測試的實驗方法。

一、實驗材料和實驗設(shè)備

（1）實驗材料：具備光柵結(jié)構(gòu)的二氧化硅基底，生長在銅箔上的石墨烯薄膜，載玻片，膠帶，納米探針。（2）實驗設(shè)備：原子力顯微鏡，超聲清洗儀。

二、實驗方法和步驟

（1）清潔：將帶有光柵結(jié)構(gòu)的二氧化硅基底置于丙酮和去離子水中，利用超聲波反復(fù)清洗3-5次，每次時間為3-5分鐘，清洗完畢后在紅外線下烘干；（2）石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移：將生長有石墨烯薄膜的銅膜平放在載玻片上，將膠帶（PMMA）緊貼在石墨烯薄膜上；隨后將其放入腐蝕液中腐蝕掉銅膜，得到膠帶-石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)，并用去離子水反復(fù)漂洗3-5次，每次時間為3-5分鐘；然后將其置于具有溝槽陣列的目標(biāo)基底上，于常溫條件下自然放置3-6 小時，最后從水平方向緩慢撕掉膠帶，實現(xiàn)石墨烯的轉(zhuǎn)移；（3）判斷是否得到本征石墨烯：將納米探針安裝在原子力顯微鏡上，啟動設(shè)備，對轉(zhuǎn)移前后的光柵基底進(jìn)行掃描成像，對比轉(zhuǎn)移前后光柵溝槽的深度來判斷是否得到了懸掛的石墨烯。轉(zhuǎn)移前12條寬度與深度漸變的光柵溝槽組成的陣列結(jié)構(gòu)，其中每三條為一組，每組的平均寬度依次為300 nm、600 nm、800 nm、1200 nm、1400 nm，深度依次為深約70 nm、230 nm、340 nm、420 nm、430 nm 的多個溝槽組成的陣列結(jié)構(gòu)；而圖2B示出了將單層石墨烯轉(zhuǎn)移至圖1A所示的具有溝槽陣列基底表面形貌，顯示出寬度不大于800 nm的溝槽方能成功地實現(xiàn)單層石墨烯的覆蓋，當(dāng)石墨烯轉(zhuǎn)移后，光柵溝槽上由于懸掛了石墨烯，深度僅有幾到幾十個納米，由此判斷得到了懸空的、不受基底效應(yīng)影響的本征石墨烯；（4）本征石墨烯摩擦力和粘著力的測試：在光學(xué)顯微鏡下將納米探針定位至待測區(qū)域，控制探針以接觸模式、按照設(shè)定的掃描軌跡在樣品表面對待測區(qū)域進(jìn)行掃描定位，最終對待測區(qū)域內(nèi)溝槽上部的本征石墨烯進(jìn)行摩擦力及黏著特性的測試。

三、試驗結(jié)果

圖2示出了本征石墨烯表面的黏著及摩擦特性結(jié)果。其中圖2A示出了二氧化硅膜表面、本征石墨烯以及平鋪在二氧化硅表面黏著特性的測試結(jié)果，本征石墨烯和二氧化硅基底上的石墨烯的表面黏著特性接近；而圖2B分別示出了在不同的法向力作用下，本征石墨烯和二氧化硅基底上的石墨烯的表面摩擦特性的測試結(jié)果，顯見本征石墨烯的摩擦力更小。

四、結(jié)語

該研究提出了一套可規(guī)避基底效應(yīng)的，針對本征石墨烯的表面摩擦力及黏著特性測試的實驗方法。該實驗不僅適合本科生關(guān)于納米技術(shù)的基礎(chǔ)實驗教學(xué)，讓學(xué)生在實驗實踐加深對石墨烯的認(rèn)識，學(xué)會分析石墨烯的力學(xué)性能，還可以針對研究生開展探索性的實驗教學(xué)，進(jìn)行延伸性的實驗，比如可以比較多層石墨烯的摩擦和黏著特性，比較有無缺陷的石墨烯的摩擦和黏著特性。該實驗對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)意識和創(chuàng)新精神，提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識，分析問題解決問題的能力發(fā)揮了十分重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉兆平，周旭鋒.淺談石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2013，（09）.

[2]韋林， 劉五祥， 方明霞， 朱金龍. 新型摩擦實驗裝置的研制與應(yīng)用[J]， 實驗室研究與探索，2011，06.