陳星源 黃瑤 彭倚天

(東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 上海 201620)

六方氮化硼(hexagonal boron nitride, h-BN)因其良好的潤(rùn)滑性和絕緣性, 在微納機(jī)電系統(tǒng)中有巨大的應(yīng)用潛力.本文通過基底刻蝕的工藝, 在SiO2/Si基底上制備了微孔陣列, 然后將h-BN轉(zhuǎn)移到微孔基底上形成懸浮結(jié)構(gòu), 利用原子力顯微鏡研究電場(chǎng)對(duì)懸浮h-BN摩擦特性的影響.結(jié)果表明: 懸浮狀態(tài)的h-BN的表面摩擦力小于有基底支撐的h-BN的表面摩擦力, 原因是更大的面內(nèi)拉伸削弱了褶皺效應(yīng).電場(chǎng)作用下, 針尖與h-BN之間的靜電相互作用增強(qiáng), 懸浮h-BN表面的摩擦力隨偏壓的增大而增大, 且正偏壓的影響大于負(fù)偏壓的影響.同時(shí), 在電場(chǎng)下針尖在懸浮h-BN表面的黏滑行為出現(xiàn)單步黏滑向多步黏滑的轉(zhuǎn)變.此外, 與有基底支撐的h-BN相比, 懸浮狀態(tài)的h-BN受電場(chǎng)的影響更大, 這是由于針尖與基底界面距離的縮小以及基底氧化層的缺失導(dǎo)致靜電力增強(qiáng).本文提出了通過施加外電場(chǎng)來調(diào)節(jié)懸浮h-BN表面摩擦的方法, 對(duì)研究二維材料摩擦特性提供了一定的理論指導(dǎo).

1 引 言

精密化制造是現(xiàn)代制造業(yè)的一個(gè)重要的發(fā)展方向, 而微納機(jī)電系統(tǒng)由于尺寸的急劇縮小, 比表面積更大, 受黏附和摩擦磨損的影響會(huì)更嚴(yán)重[1].傳統(tǒng)的液體潤(rùn)滑劑顯然不再適用于解決微納尺度下的潤(rùn)滑問題, 而二維材料由于具有原子級(jí)厚度以及優(yōu)異的潤(rùn)滑性表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力.其中, 六方氮化硼(hexagonal boron nitride, h-BN)具有優(yōu)異的絕緣和機(jī)械特性, 越來越受到關(guān)注.因此, 研究h-BN的摩擦特性, 對(duì)于推動(dòng)微納機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義[2-5].

h-BN層內(nèi)是由氮、硼原子交替相連形成六邊形的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu), 而層間依靠范德華力相連接[6,7].這樣的晶體結(jié)構(gòu)與石墨烯非常相似, 因此h-BN也被稱為“白石墨”.與石墨烯不同, h-BN層間是ABA堆疊方式, 屬于寬帶隙絕緣體[8].二維材料的研究和應(yīng)用通常是置于光滑的基底表面, 因此研究基底因素對(duì)于二維材料摩擦特性的影響是十分必要的.研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)h-BN放置在二氧化硅上時(shí), 其表面摩擦力會(huì)表現(xiàn)出和石墨烯一樣厚度依賴性.由于其具有良好的柔性, 摩擦過程中的褶皺變形會(huì)影響摩擦力的大小[9].這一現(xiàn)象在原子級(jí)光滑的云母基底上無法重現(xiàn), 因?yàn)樵颇副砻娓叩酿じ阶饔靡种屏硕S材料的褶皺變形.在軟基底上的摩擦?xí)a(chǎn)生更大的彈性變形, 這會(huì)增強(qiáng)二維材料的褶皺效應(yīng), 進(jìn)而增大摩擦力[10].此外, 微納機(jī)電系統(tǒng)中常有電場(chǎng)存在, 電場(chǎng)也是影響二維材料摩擦的一個(gè)重要因素.在施加電場(chǎng)的條件下研究硅表面的納米摩擦行為,發(fā)現(xiàn)摩擦力隨著靜電相互作用的增強(qiáng)而增大, 但是由于其表面較大的粗糙度, 摩擦力變化地較為不穩(wěn)定[11].通過給針尖施加負(fù)電壓可以調(diào)控石墨烯表面的摩擦力, 而較大的電壓會(huì)造成石墨烯表面氧化[12].綜上可知, 基底和外加電場(chǎng)的確會(huì)影響二維材料表面的摩擦.考慮到h-BN同時(shí)具有良好的潤(rùn)滑性與絕緣性, 在電場(chǎng)下不易發(fā)生氧化和短路的現(xiàn)象, 研究電場(chǎng)下懸浮h-BN的摩擦特性對(duì)于發(fā)掘其應(yīng)用潛力具有重要意義.

本文通過對(duì)基底氧化層進(jìn)行接觸式光刻和濕法刻蝕處理, 制備了微孔陣列的SiO2/Si基底, 并將h-BN轉(zhuǎn)移到微孔上形成懸浮的h-BN樣品.利用原子力顯微鏡研究懸浮的h-BN的摩擦特性.通過給SiO2/Si基底施加直流電壓, 研究在不同電場(chǎng)下h-BN表面摩擦力的變化規(guī)律, 同時(shí)測(cè)量其表面的黏附力和黏滑特性, 并分析電場(chǎng)對(duì)h-BN表面摩擦行為的影響機(jī)理.另外, 對(duì)比懸浮狀態(tài)和有基底支撐的h-BN在電場(chǎng)下的摩擦差異, 對(duì)機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步的探討.本文提出了一種通過施加電場(chǎng)來調(diào)節(jié)二維材料表面摩擦的新方法, 對(duì)于二維材料的研究和應(yīng)用具有良好的推動(dòng)作用.

2 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)使用的基底為P型摻雜的硅基底, 表面存在SiO2氧化層.SiO2/Si基底在丙酮溶液、乙醇溶液和去離子水中各超聲20 min, 再用氮?dú)飧稍?圖1(a)中展示的光刻機(jī)為中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所生產(chǎn)的URE-2000/25L型紫外深度光刻機(jī).采用接觸式光刻與濕法刻蝕工藝, 在基底的氧化層表面刻蝕出排布均勻的圓形孔洞, 孔間距為10 μm,半徑為2 μm, 如圖1(b)所示.實(shí)驗(yàn)所用的h-BN晶體購買于荷蘭HQ Graphene公司.采用機(jī)械剝離的方法將h-BN晶體轉(zhuǎn)移至微孔陣列的基底上制備成懸浮h-BN樣品.使用美國(guó)Asylum Research公司生產(chǎn)的MFP-3D型原子力顯微鏡(atomic force microscope, AFM)對(duì)h-BN和微孔的形貌進(jìn)行表征, 使用保加利亞BudgetSensors公司生產(chǎn)的Multi75Al-G型號(hào)的硅探針.采用非接觸法對(duì)探針進(jìn)行法向和橫向標(biāo)定[13].測(cè)量摩擦的掃描范圍為500 nm × 500 nm, 掃描頻率為1 Hz, 摩擦力的取值為3次連續(xù)線掃描的平均值.SiO2/Si基底放置在導(dǎo)電鋁箔上, 由AFM的內(nèi)置電源提供-10-+10 V的直流電壓.利用AFM的內(nèi)置軟件調(diào)節(jié)電場(chǎng)的強(qiáng)度和方向, 研究電場(chǎng)對(duì)懸浮h-BN納米摩擦的影響.AFM實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度為20-30 ℃, 相對(duì)濕度為40%-50% RH.

圖1 制備微孔陣列硅片的設(shè)備及試樣 (a) 紫外深度光刻機(jī); (b) 微孔陣列硅片的光學(xué)圖Fig.1.Equipment for preparing micro-hole array silicon wafer and sample: (a) Ultraviolet depth lithography machine; (b) optical image of micro-hole array silicon wafer.

3 結(jié)果與討論

3.1 懸浮h-BN的摩擦特性

h-BN晶體經(jīng)機(jī)械剝離后覆蓋在微孔陣列的基底上, 在光學(xué)顯微鏡下確定懸浮狀態(tài)的h-BN的位置.圖2(a)顯示了樣品的光學(xué)圖, 紅色方框處所對(duì)應(yīng)的AFM形貌圖如圖2(b)所示, 可以看出左下角綠色虛線圈內(nèi)的微孔上覆蓋了h-BN.h-BN的形貌表征是在AFM的輕敲模式下進(jìn)行的, 掃描范圍為20 μm × 20 μm, 掃描頻率為1 Hz.從圖2(b)的插圖中可知紅色虛橫截線處的h-BN的高度為23 nm.由于h-BN樣品與基底貼合并非完全緊密,實(shí)驗(yàn)測(cè)得的樣品厚度可能會(huì)略大于理論值[14].

圖2 樣品的光學(xué)圖和形貌圖 (a) 微孔基底上h-BN的光學(xué)圖; (b) 微孔基底上h-BN的AFM形貌圖, 插圖為h-BN的高度輪廓圖Fig.2.Optical image and topography of the sample: (a) Optical image of h-BN on microporous substrate; (b) AFM topography of h-BN on microporous substrate, the illustration shows the height profile of h-BN.

為了確定h-BN的懸浮狀態(tài), 首先對(duì)沒有h-BN覆蓋的微孔進(jìn)行了形貌測(cè)量, 形貌圖如圖3(a)所示.紅色橫截線處所對(duì)應(yīng)的高度輪廓如圖3(b)所示, 微孔的直徑為4 μm, 深度為120 nm, 表面形狀工整, 底部平坦.圖3(c)為有h-BN覆蓋的微孔的AFM形貌表征圖.綠色橫截線處所對(duì)應(yīng)的高度輪廓圖如圖3(d)所示, 發(fā)現(xiàn)h-BN的最大下落高度為25 nm, 遠(yuǎn)小于微孔自身的深度.該微孔上方的h-BN雖略有下落, 但并不能夠觸及微孔底部,因此該處的h-BN處于懸浮狀態(tài).相較于2 μm的微孔半徑, h-BN在微孔上的下落高度非常小, 通過正切函數(shù)計(jì)算出的傾斜角僅為0.0125°.同時(shí)考慮到測(cè)量摩擦選取的實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)槲⒖咨戏綉腋-BN的中心位置, 傾斜角相較于兩邊更小, 所以該處的懸浮h-BN表面是平坦的.為了保證摩擦測(cè)量區(qū)域的平整光滑, 在待測(cè)區(qū)域進(jìn)行了粗糙度測(cè)量,全局粗糙度的均方根(RMS)維持在100 pm上下,處于實(shí)驗(yàn)的合理區(qū)間內(nèi), 符合摩擦實(shí)驗(yàn)表面平整的要求.

圖3 微孔和懸浮h-BN的形貌及高度輪廓圖 (a) 微孔的AFM形貌圖; (b) 微孔的高度輪廓圖; (c) 懸浮h-BN的AFM形貌圖;(d) 懸浮h-BN的高度輪廓圖Fig.3.Topography and height profile of microporous and suspended h-BN: (a) AFM topography of micropores; (b) height profile of micropores; (c) AFM topography of suspended h-BN; (d) height profile of suspended h-BN.

為了研究懸浮狀態(tài)對(duì)h-BN摩擦性質(zhì)的影響,在有基底支撐(圖3(c)中紅方框處)和懸浮狀態(tài)(圖3(c)中藍(lán)方框處)的h-BN表面分別進(jìn)行了變載荷摩擦實(shí)驗(yàn).圖4(a)中黑色和紅色的直線分別表示懸浮狀態(tài)和支撐狀態(tài)h-BN的摩擦力-載荷關(guān)系擬合線, 可以看出懸浮h-BN的摩擦力小于有基底支撐處的摩擦力且摩擦系數(shù)基本沒有變化.在10 nN的載荷下, 兩者的摩擦力差值約為0.069 nN,即懸浮狀態(tài)下的摩擦力減小了約16.7%.同時(shí), 在摩擦實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行黏附力測(cè)量, 如圖4(b)所示, 發(fā)現(xiàn)二者的黏附力區(qū)別甚微, 懸浮狀態(tài)下的黏附力僅減小了約0.3%.黏附力作為實(shí)際載荷的一部分, 黏附力的變化會(huì)導(dǎo)致實(shí)際載荷的變化.由圖4(a)可知懸浮h-BN的摩擦系數(shù)約為0.0191.經(jīng)計(jì)算可知0.11 nN的載荷變化量導(dǎo)致的摩擦力差異約為0.002, 遠(yuǎn)小于摩擦力的差距0.069 nN.從數(shù)值量級(jí)上考慮, 導(dǎo)致懸浮狀態(tài)和支撐狀態(tài)的h-BN的摩擦力差異主要原因不在于黏附力.結(jié)合Amonton’s定律和單粗糙摩擦定律, h-BN表面的摩擦力Ff可以描述為[15]

圖4 h-BN在懸浮和支撐狀態(tài)下的摩擦和黏附對(duì)比 (a)懸浮狀態(tài)和支撐狀態(tài)的h-BN的摩擦力-載荷關(guān)系; (b) 懸浮狀態(tài)和支撐狀態(tài)的h-BN的黏附力圖Fig.4.Comparison of friction and adhesion on h-BN in suspended and supported state: (a) Friction-load relationship of suspended and supported h-BN; (b) adhesion on suspended and supported h-BN.

其中, τ為界面剪切強(qiáng)度; A為針尖與h-BN之間的接觸面積; μ為摩擦系數(shù); L為法向載荷.剪切強(qiáng)度與界面間相互作用相關(guān), 由于黏附力的相對(duì)變化非常小, 剪切強(qiáng)度的變化可以忽略.懸浮狀態(tài)下,載荷與摩擦系數(shù)也沒有發(fā)生改變.針尖與h-BN之間的接觸面積是重要的影響因素.當(dāng)h-BN放置在剛性基底上時(shí), 由于基底的阻擋, h-BN難以向下拉伸.針尖在支撐狀態(tài)的h-BN上摩擦過程中會(huì)在針尖前方動(dòng)態(tài)地形成褶皺, 增大針尖與h-BN之間的接觸面積, 導(dǎo)致摩擦力變大.當(dāng)懸浮狀態(tài)的h-BN受到針尖的下壓力時(shí), 由于缺少基底的支撐, h-BN更易向下拉伸.相較于有基底支撐的h-BN而言,懸浮狀態(tài)的h-BN在摩擦過程中的褶皺更容易被“拉平”, 褶皺效應(yīng)更弱, 摩擦力更小[9,16,17].

3.2 電場(chǎng)對(duì)懸浮h-BN的摩擦特性的影響

為了探究電場(chǎng)對(duì)懸浮h-BN摩擦的影響, 設(shè)計(jì)在不同偏壓下的變載荷摩擦實(shí)驗(yàn).通過程序化地控制載荷從40 nN降至-20 nN, 得到摩擦力-載荷關(guān)系.從圖5(a)和5(b)中發(fā)現(xiàn), 隨著載荷的下降, h-BN表面的摩擦力也呈現(xiàn)下降的趨勢(shì).將數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合, 得到在0 V, ± 2 V, ± 4 V, ± 6 V, ± 8 V偏壓下的摩擦力-載荷關(guān)系擬合線.當(dāng)正向的偏壓增大時(shí), 摩擦力-載荷的關(guān)系擬合線出現(xiàn)上移, 相同載荷下的摩擦力得到增大.這一現(xiàn)象在正偏壓大于+4 V以及負(fù)偏壓達(dá)到-8 V時(shí)開始逐漸明顯.在負(fù)向偏壓作用下, 各載荷下的摩擦力也都有所增大, 但摩擦力的增量與正偏壓下摩擦力的增量相比較小.當(dāng)載荷小于零時(shí), 由于針尖與樣品表面的黏附作用使得針尖無法脫離樣品表面, 摩擦力依然存在.針尖臨界脫離樣品表面瞬間的黏附力也隨著偏壓的增大而變大.

圖5 不同電場(chǎng)下懸浮h-BN的摩擦力-載荷關(guān)系的對(duì)比(a) 不同正偏壓下懸浮h-BN的摩擦力-載荷關(guān)系; (b) 不同負(fù)偏壓下懸浮h-BN的摩擦力-載荷關(guān)系Fig.5.Comparison of friction-load relationship of suspended h-BN under different electric fields: (a) Friction-load relationship of suspended h-BN under different positive biases; (b) friction-load relationship of suspended h-BN under different negative biases.

為了探究電場(chǎng)對(duì)h-BN表面摩擦行為的影響機(jī)理, 在摩擦實(shí)驗(yàn)的區(qū)域進(jìn)行了黏附力的定量測(cè)量.通過測(cè)量5次力曲線得到黏附力的平均值,圖6(a)和6(b)分別表示在正偏壓和負(fù)偏壓下h-BN表面黏附力的變化.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以清楚地看出, 不施加電場(chǎng)時(shí)的黏附力為18.54 nN,在+2 V, +4 V, +6 V和+8 V偏壓下的黏附力分別 為22.18 nN, 25.25 nN, 29.72 nN和34.21 nN.正電場(chǎng)的施加使得針尖與h-BN之間的黏附力增大.負(fù)偏壓下也出現(xiàn)黏附力隨電壓的增大而增大的現(xiàn)象.當(dāng)偏壓增大至-8 V時(shí), 黏附力達(dá)到22.69 nN,但仍小于+8 V偏壓下的黏附力.黏附力在電場(chǎng)下的變化規(guī)律與摩擦力的變化規(guī)律相同, 兩者都隨著偏壓的增大而增大, 且在正偏壓下的增量大于負(fù)偏壓下的增量.

圖6 不同電場(chǎng)下懸浮h-BN的黏附力對(duì)比 (a) 不同正偏壓下懸浮h-BN表面的黏附力; (b) 不同負(fù)偏壓下懸浮h-BN表面的黏附力Fig.6.Comparison of adhesions on suspended h-BN under different electric fields: (a) Adhesions on suspended h-BN under different positive biases; (b) Adhesions on suspended h-BN under different negative biases.

黏附力的4大組成部分為范德華力、毛細(xì)力、化學(xué)鍵力和靜電力.其中, 范德華力作為一種分子間作用力主要受原子間距離的影響.密切關(guān)注實(shí)驗(yàn)中電場(chǎng)施加前后的形貌圖, 發(fā)現(xiàn)h-BN的高度沒有差異, 因此范德華力在電場(chǎng)下并未發(fā)生改變.考慮到電場(chǎng)可能會(huì)影響毛細(xì)力, 在低濕度(RH ＜ 20%)的環(huán)境下重復(fù)實(shí)驗(yàn), 依舊可以觀察到相同的現(xiàn)象.同時(shí)考慮到h-BN的疏水性, 其表面的毛細(xì)力的影響可以忽略[18].h-BN具有良好的化學(xué)惰性, 表面沒有懸空的化學(xué)鍵, 電場(chǎng)下化學(xué)鍵力的影響也不在考慮作用范圍內(nèi)[19].電場(chǎng)的施加對(duì)于范德華力、毛細(xì)力、化學(xué)鍵力這3個(gè)組成部分都不會(huì)產(chǎn)生較大影響, 電場(chǎng)下黏附力的改變主要由靜電力主導(dǎo).由于硅針尖與h-BN之間的功函數(shù)差異, 二者接觸時(shí)會(huì)發(fā)生電荷的轉(zhuǎn)移并達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)[20].即使在不施加電場(chǎng)的情況下, 針尖與h-BN之間也存在接觸電勢(shì)差[11,21,22].所以在相同絕對(duì)值的正負(fù)偏壓下,接觸在h-BN表面的針尖上的實(shí)際電勢(shì)并不同, 從而導(dǎo)致正負(fù)電場(chǎng)影響針尖所受靜電力的不對(duì)稱性.

根據(jù)庫倫定律, 針尖受到的靜電力Fe可以簡(jiǎn)單定性地表示為[23]

其中, K代表庫倫常數(shù), Qt和Qs分別表示針尖上和Si基底上針尖垂直對(duì)應(yīng)區(qū)域上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷,d表示針尖與Si基底之間的距離.施加電場(chǎng)后, 硅針尖會(huì)在電場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷, 針尖與Si基底之間的靜電相互作用增強(qiáng), 使得針尖所受到的靜電力變大.靜電力的增大會(huì)產(chǎn)生額外的載荷,進(jìn)而使得摩擦力增大.

尖端與樣品表面的相互作用可以反映在原子尺度的黏滑運(yùn)動(dòng)中.黏滑運(yùn)動(dòng)(stick-slip)是納米摩擦的一個(gè)特性, 可以反映出摩擦過程中能量的變化過程.針尖開始運(yùn)動(dòng)時(shí)需要克服原子間的勢(shì)壘,發(fā)生滑移, 從一個(gè)穩(wěn)態(tài)躍遷到下一個(gè)局部勢(shì)能最低點(diǎn).在測(cè)量摩擦的區(qū)域內(nèi)選取了3 nm × 3 nm的區(qū)域進(jìn)行黏滑運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn), 施加固定載荷10 nN, 掃描頻率1 Hz.由圖7(a)所示, 在不施加電場(chǎng)的條件下, 測(cè)量出10-11個(gè)峰, 這與h-BN的理論晶格常數(shù)0.25040 nm保持一致.當(dāng)施加+5 V偏壓以后, 峰的數(shù)量減少到如圖7(b)所示的6-7個(gè).電場(chǎng)的施加會(huì)減少單位長(zhǎng)度內(nèi)黏滑運(yùn)動(dòng)的周期, 并增大黏滑運(yùn)動(dòng)的幅值.該現(xiàn)象表示在電場(chǎng)作用下h-BN表面的黏滑運(yùn)動(dòng)發(fā)生了從單步黏滑向多步黏滑的轉(zhuǎn)變, 針尖與h-BN之間的相互作用增強(qiáng)[24].電場(chǎng)的施加增大了針尖原子與h-BN之間的勢(shì)壘, 針尖在h-BN表面的摩擦?xí)a(chǎn)生更大的能量耗散.

圖7 懸浮h-BN的黏滑運(yùn)動(dòng)在電場(chǎng)下的變化 (a) 無電場(chǎng)時(shí)懸浮h-BN的側(cè)向力曲線; (b) +5 V偏壓下懸浮h-BN的側(cè)向力曲線Fig.7.Variation of stick-slip behavior of suspended h-BN under electric field: (a) Lateral force curves measured on suspended h-BN without bias; (b) lateral force curves measured on suspended h-BN under +5 V bias.

3.3 電場(chǎng)下懸浮與支撐狀態(tài)的h-BN摩擦特性對(duì)比

本文進(jìn)一步對(duì)比了有基底支撐與懸浮狀態(tài)的h-BN在電場(chǎng)下的摩擦特性.如圖8(a)和8(b)所示, 在有基底支撐的h-BN上施加-4 V和+4 V的偏壓, 發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)所引起的摩擦力變化并不明顯, 這是由于該h-BN樣品具有較厚的厚度, 靜電力的影響被大大削弱.然而在懸浮的h-BN上, 摩擦力卻仍然受電場(chǎng)的影響較大.由圖8(c)和8(d)所示,在+4 V偏壓下的摩擦力較無偏壓下的摩擦力相比已經(jīng)有了明顯的增大, -4 V偏壓下的摩擦力也略有增大.

圖8 電場(chǎng)下支撐與懸浮狀態(tài)的h-BN的摩擦力對(duì)比 (a) 電場(chǎng)下有基底支撐的h-BN的摩擦力圖; (b) 不同偏壓下有基底支撐的h-BN的摩擦力柱狀圖; (c) 電場(chǎng)下懸浮h-BN的摩擦力圖; (d) 不同偏壓下懸浮h-BN的摩擦力柱狀圖Fig.8.Comparison of the friction on the supported and suspended h-BN under electric fields: (a) Friction on supported h-BN under biases; (b) histogram of the friction on supported h-BN under different biases; (c) friction on suspended h-BN under biases;(d) histogram of the friction on suspended h-BN under different biases.

圖9 (a)和9(b)分別為電場(chǎng)下有基底支撐的和懸浮狀態(tài)的h-BN的示意圖.懸浮h-BN的下落高度縮短了針尖與Si基底之間的距離d, 針尖加載后又會(huì)使懸浮h-BN再產(chǎn)生一定的向下變形量, 如圖9(b)中虛線所示.

圖9 電場(chǎng)下支撐與懸浮狀態(tài)的h-BN示意圖對(duì)比 (a) 電場(chǎng)下有基底支撐的h-BN的示意圖; (b)電場(chǎng)下懸浮h-BN的示意圖Fig.9.Comparison of schematic diagram of h-BN in supported and suspended state under electric field: (a) Schematic diagram of supported h-BN under electric field; (b) schematic diagram of suspended h-BN under electric field.

對(duì)靜電力進(jìn)一步分析可得:

其中, εe為針尖與Si基底之間的整體介電常數(shù), 通過電容串聯(lián)公式可推:

針尖與Si基底間的距離d由三部分組成: h-BN厚度h、h-BN與微孔底部的間距d1、未刻蝕部分SiO2的厚度 d2.Ch,Cd1,Cd2以及Ce分別代表這三部分以及整體的電容.S為針尖與Si基底之間的相對(duì)面積.εh為h-BN的相對(duì)介電常數(shù), 空氣的相對(duì)介電常數(shù) εd1小于SiO2的相對(duì)介電常數(shù) εd2.由(4)式可知, 當(dāng)被基底氧化層被刻蝕后, SiO2厚度d2的減小會(huì)導(dǎo)致針尖與Si基底之間整體的介電常數(shù)εe減小.同時(shí), 懸浮h-BN受重力和針尖載荷的作用而向下變形, 縮小針尖與Si基底間的距離d.由(3)式可知, 這兩方面的共同作用會(huì)增大針尖所受到的靜電力, 從而加強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)摩擦的影響.這與懸浮h-BN的摩擦力受電場(chǎng)影響比支撐處更大的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合.

由電容公式可知, 在電容值不變的條件下, 針尖上的電荷量Q與所受電勢(shì)U成正比關(guān)系, 如[22]:

其中, VS為施加在基底上的偏壓, VC為針尖與h-BN之間的接觸電勢(shì)差.?tip和?h-BN分別為針尖和h-BN的功函數(shù).結(jié)合(5)式和(3)式可知, 理論上針尖上的靜電力與電勢(shì)的平方值成正比關(guān)系并且受到零偏壓下的固有電勢(shì)差影響.這也與h-BN的摩擦力隨偏壓增大而增大且正負(fù)偏壓影響不對(duì)稱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合.

通過以上實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 懸浮處理和施加電場(chǎng)是調(diào)節(jié)h-BN表面摩擦的有效方法.懸浮狀態(tài)下, 摩擦過程中的面內(nèi)拉伸在一定程度上減少了褶皺的產(chǎn)生, 達(dá)到減摩的目的.在電場(chǎng)下, 靜電力的增大會(huì)增加針尖所受到的實(shí)際載荷, 產(chǎn)生增摩的效果.本文研究發(fā)現(xiàn)可以通過調(diào)節(jié)外加電場(chǎng)的大小和方向來不同程度地增大h-BN表面的摩擦力.偏壓越大, 摩擦力越大, 正電壓的影響大于負(fù)電壓的影響,并且這一增摩作用可以通過刻蝕基底氧化層的方法進(jìn)一步加強(qiáng).這對(duì)研究二維材料表面摩擦的調(diào)控具有一定的啟發(fā)意義.

4 結(jié) 論

本文研究了電場(chǎng)對(duì)懸浮h-BN表面納米摩擦的影響.懸浮狀態(tài)的h-BN的摩擦力小于有基底支撐處h-BN的摩擦力.原因是懸浮狀態(tài)下h-BN在針尖的加載下會(huì)產(chǎn)生更大的面內(nèi)拉伸, 削弱表面的褶皺效應(yīng).電場(chǎng)下, 懸浮h-BN表面的黏附力和摩擦力會(huì)隨著偏壓的增大而增大, 并且由于針尖與h-BN之間存在固有電勢(shì)差, 正向偏壓下的摩擦力增量大于負(fù)向偏壓下的摩擦力增量.電場(chǎng)的施加使針尖受到額外的靜電力, 從而增大摩擦過程中的實(shí)際載荷, 進(jìn)而影響摩擦力大小.同時(shí), 電場(chǎng)下懸浮h-BN上的黏滑運(yùn)動(dòng)的幅值變大, 周期變小, 出現(xiàn)單步黏滑向多步黏滑的轉(zhuǎn)變, 摩擦過程會(huì)產(chǎn)生更大的能量耗散.此外, 在有基底支撐的較厚h-BN樣品上, 電場(chǎng)對(duì)摩擦的影響較小, 而對(duì)于懸浮的h-BN而言, 針尖與Si基底間界面距離的縮短和界面整體介電常數(shù)的下降共同導(dǎo)致針尖上受到的靜電力進(jìn)一步增強(qiáng).本文研究了懸浮h-BN在電場(chǎng)下的摩擦特性, 提出了通過懸浮處理和改變外加電場(chǎng)的大小與方向來調(diào)控二維材料表面摩擦力大小的方法, 并分析了其內(nèi)在機(jī)理和影響因素, 為二維材料在微納機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了理論幫助.