基于原子力顯微鏡的黑磷和酞菁銅機(jī)械性能實驗研究.pdf

1、黑磷因其獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，以及其可隨厚度改變的直接帶隙，被認(rèn)為是繼石墨烯之后下一代電子器件中最具應(yīng)用潛力的材料。而同為納米材料，酞菁銅的結(jié)構(gòu)及能級特點也決定了其諸多優(yōu)良的光電特性，且其層狀晶型結(jié)構(gòu)使得酞菁銅在探索新的彈性模量測試?yán)碚撃Ｐ椭杏兄鵁o法比擬的優(yōu)勢。因此，研究黑磷和酞菁銅在納尺度下的機(jī)械性能，對于其今后在微/納機(jī)電系統(tǒng)(M/NEMS)中的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。
　　本文首先推導(dǎo)出適合于本實驗的納米壓痕和基于鐵摩辛科

2、彈性理論的三點彎曲理論模型，然后基于原子力顯微鏡搭建密閉樣品臺、濕度控制器等試驗平臺，并使用機(jī)械剝離法制備黑磷薄膜以及使用真空沉積法和轉(zhuǎn)移法制備懸浮酞菁銅納米線樣品，借助光學(xué)顯微鏡判斷目標(biāo)樣品的位置，拉曼光譜儀、掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡表征樣品的層數(shù)和尺寸參數(shù)，在測量其機(jī)械性能的同時并探索測試條件對目標(biāo)參數(shù)的影響。
　　在研究黑磷的彈性模量時，發(fā)現(xiàn)在0～20μm/s的探針加載速度范圍內(nèi)，對實驗結(jié)果幾乎沒有影響的;最大加載載荷在

3、0～2μN(yùn)范圍內(nèi)彈性模量隨著壓痕深度的減小，其值增加了約35％。研究黑磷薄膜的納米摩擦學(xué)性能時，發(fā)現(xiàn)褶皺效應(yīng)使得四層黑磷的摩擦系數(shù)比二層黑磷的小，其摩擦力隨著發(fā)向載荷的增大而線性增大，并隨掃描速度的對數(shù)增加而非線性上升。黑磷鏈接狀的褶皺原子結(jié)構(gòu)以及剛度的各向異性使二層黑磷薄膜以及體態(tài)黑磷的摩擦力均呈現(xiàn)180°的周期性變化。當(dāng)法向載荷為2μN(yùn)時，黑磷薄膜被劃破兩層，隨著載荷增加磨損加劇，直至20μN(yùn)時，黑磷被完全劃穿。在對酞菁銅的彈性模量