復雜環(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，受材料尺寸效應影響，與表界面相關的一些作用力顯著增強，它們對環(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性質與真空相比有較大差異；在納尺度受限環(huán)境中，流體的物理性質也能發(fā)生重要改變；而一些外場的作用更是加劇了材料物理力學性質的改變，甚至誘導一些化學性質的變化。這些性質的改變一方面會影響到材料及相應器件在實際應用中性能的穩(wěn)定性，另一方面也會導致一些新原理的產(chǎn)生，因此對不同的復雜環(huán)境中材料表面

2、間在納尺度下的相互作用進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、真空以及外場等多種環(huán)境下的操作，同時針尖與基底間能形成納尺度的受限環(huán)境，這為研究復雜環(huán)境下納尺度表面相互作用提供了有利條件，并直接導致針尖物理力學研究的興起?；谶@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)境以及外加電場作用下的粘附和摩擦行為，毛細凝結水在受限環(huán)境及電場作用下的物理力學行為，以及外電場下

3、導電針尖與新解理高定向石墨（HOPG）表面間的相互作用情況，取得了以下進展：
　　 （1）研究了空氣和10-3Pa的真空環(huán)境中外加載荷對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)境中實驗測得的摩擦力與外加載荷呈近似線性增長的關系，表明實驗中針尖與云母表面存在多個粗糙峰的接觸；且真空環(huán)境下測得的摩擦力比空氣環(huán)境中測得的值大，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條件下、2μm/s以下速度范圍內掃描速度對摩擦力的影響，發(fā)現(xiàn)隨著掃描速度增大，摩擦力非線性增加，結合探討原子尺度摩擦起源的熱激發(fā)模型，對摩擦力與掃描速度的關系進行了理論分析，進一步實驗證實了不同的環(huán)境及摩擦體系中摩擦力與掃描速度間的對數(shù)依賴關系，即FL：lnvs具有較為普遍的適用性。通過對空氣環(huán)境中外加電場條件下氮化硅針尖與云母表面間摩擦力的實驗研究，發(fā)現(xiàn)外加電場條件下的摩擦力升高

5、，且隨正或負偏壓的增加而增大；但外加負偏壓時，摩擦力比正偏壓時升高更顯著，表明外加負偏壓對氮化硅針尖與云母表面間的摩擦力有更強的影響。
　　 （2）通過對室溫下、空氣和真空環(huán)境中外加電場時親水性的鍍Pt導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)境中對基底施加負偏壓時，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，當不施加偏壓以及偏壓為正時

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水凝結體受外加負偏壓的影響導致了曲線的異常變化。從力學角度分析發(fā)現(xiàn)毛細水凝結體具有類似于冰的楊氏模量，表明在外加電場的作用下，受限環(huán)境中的毛細凝結水在室溫下發(fā)生了相變凝結形成了類冰狀結構。當利用具有疏水性的鍍金剛石膜導電針尖進行類似實驗時，發(fā)現(xiàn)摩擦曲線出現(xiàn)與鍍Pt 針尖的結果相似的變化，不同的是其傾斜變化顯示為一個逐漸發(fā)展的過程，傾斜程

7、度隨負偏壓值和保持時間的增加而加劇，毛細凝結體的力學性質也與冰狀結構相近；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)境中外加正偏壓時曲線跳入接觸后和跳離接觸前均出現(xiàn)嚴重滯后，且粘附力降低，這顯示正偏壓時金剛石膜針尖與基底間的毛細水具有液態(tài)容量水的特征，而其他環(huán)境條件下則無變化。兩種針尖的實驗結果對比表明，外加偏壓對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有重要關系。
　　 （3）在一定濕度的

8、空氣環(huán)境中，通過對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構。當外加負偏壓較低或保持時間較短時，得到的納米結構為凸起形狀，但隨著偏壓增大或保持時間延長，凸起的納米結構會向凹陷結構轉變，且其凹陷深度隨偏壓或保持時間增加而迅速增大。實驗發(fā)現(xiàn)兩種納結構轉變的電壓閾值隨時間增加而降低，直到+5 V 左右保持不變；電壓閾值與時間閾值間存在一定的函數(shù)關系，結合實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)分析結果，我們認為

9、形貌轉變的最低電壓在4～5 V 之間。對納結構形成機理的分析中，我們提出HOPG表面納結構的形成是由于外電場誘導針尖下基底表面與水分子或氧分子間的化學反應而產(chǎn)生的，其形成過程可分為兩個階段，先是由于外電場作用下HOPG上集聚大量的空穴誘導空氣中水或氧氣分子在HOPG表面吸附，導致石墨層表面晶格發(fā)生應變形成凸起結構，然后由于HOPG 表面凸起結構應變增大導致上層碳鍵斷裂產(chǎn)生空位，誘導水或氧氣分子發(fā)生離解吸附使碳層氧化釋放出CO 或CO2，