一种大尺度超滑器件的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种大尺度超滑器件的制备方法，包括提供具有原子级光滑平整的表面的第一基底；提供第二基底，利用化学气相沉积技术在第二基底上生长大尺度石墨烯薄膜，并将该大尺度石墨烯薄膜转移至第一基底原子级光滑平整的表面上；利用压力使该大尺度石墨烯薄膜与第一基底原子级平整的表面紧密贴合，由此制备得到大尺度超滑器件。该方法具有工艺简单、经济高效以及可重复性好等优点，利用该方法制备出的大尺度超滑器件具有大面积、摩擦系数低以及耐磨性好等优点，能够解决目前结构超滑仅限于微纳尺度难以在实际机械运动部件上应用的问题，具有巨大的工程应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种大尺度超滑器件的制备方法
本专利技术涉及固体结构超滑领域，尤其涉及一种大尺度超滑器件的制备方法。
技术介绍
对于机械运动部件而言，摩擦和磨损是能量耗散的主要形式，这也导致材料不必要的损耗。长期以来,摩擦和磨损问题,不但与制造业密切相关,还与能源、环境和健康直接相关，据统计资料显示，近1/3的一次性能源用于克服摩擦，且50％以上机械装备的恶性事故起因于润滑失效和过度磨损。减少机械运动部件的摩擦磨损被视为有效提高机械系统运行的可靠性和稳定性并延长机械系统的工作寿命途径之一，而润滑材料技术是降低摩擦、减小或避免磨损、延长设备寿命、提高工作效率的最有效手段，因此设计具有超低摩擦系数与磨损的机械系统和建立超滑体系对最大程度地节约能源、减少机械系统中有害物质对大气环境的排放具有巨大的经济和社会意义。对于实际工况条件下有相对运动的接触界面，结构超滑是解决摩擦磨损导致的能量耗散和机械损伤问题的理想方案之一，结构超滑是指两个原子级光滑且非公度接触的范德华固体表面之间摩擦、磨损几乎为零的现象。2004年，荷兰科学家J.Frenken的研究组通过实验设计，测量粘在探针上的一个几纳米大小(共约100个碳原子)的石墨片在高定向热解石墨(highlyorientedpyrolyticgraphite，HOPG)晶面滑动时的摩擦力，首次实验证实了纳米级超润滑的存在。之后，结构超滑引起了人们的广泛关注并取得了很好的进展，2012年，刘泽和郑泉水等率先实现了微米尺度的结构超滑，他们利用HOPG，通过设计石墨岛“自缩回运动”实验，证实了微米级石墨岛内摩擦力明显具有结构超滑的基本特征。目前，结构超滑主要集中在微纳尺度，难以在实际机械运动部件上应用，而要使其具有工程应用价值，必须实现大尺度的结构超滑，即要求能够制备大尺度的超滑器件，因此如何制备大尺度的超滑器件以实现大尺度的结构超滑进而实现表面宏观超滑是国际摩擦学、先进制造、能源、物理、化学、材料等领域研究人员需要解决的难点问题。具有潜在应用价值的超滑材料可以是石墨烯、二硫化钼或者其他二维材料。优选的，石墨烯作为一种新型的二维碳材料，具有优异的力学性能、润滑性能和结构稳定性，另外，石墨烯具有在干湿条件下，摩擦系数相同的特性，这点极其难得，因此，石墨烯是一种宏观超滑的具有重大潜在应用价值的材料。目前发展的常规的石墨烯制备方法有：微机械剥离、热解碳化硅(SiC)、在过渡金属及重金属上的化学气相沉积(CVD)以及化学插层氧化法。其中化学气相沉积(CVD)方法具有简单易行、操作容易、制备出的石墨烯质量较高、尺寸较大(厘米量级)的特点，是一种适于制备大尺度石墨烯的方法。现有技术中关于制备大尺度石墨烯的研究主要集中于石墨烯的导电性能，如何制备大尺度石墨烯使之具有超滑性能的研究则未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种制备大尺度超滑器件的方法，尤其是提出了一种制备大尺度石墨烯的方法，利用该方法制备得到的大尺度石墨烯具有超滑性能。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种制备大尺度超滑器件的方法，包括：步骤1：提供第一基底，所述第一基底具有原子级平整表面；步骤2：提供第二基底，在所述第二基底上生长多层二维材料薄膜，其中所述多层二维材料薄膜具有第一表面和第二表面；步骤3：将所述多层二维材料薄膜转移至所述第一基底的原子级平整表面上；步骤4：对带有所述多层二维材料薄膜的所述第一基底进行干燥处理；步骤5：通过对所述多层二维材料薄膜施加拉力和/或压力，将所述多层二维材料薄膜的所述第一表面紧密覆盖在所述第一基底的原子级平整表面上，使得所述多层二维材料薄膜的所述第二表面为超滑面。根据本专利技术的一个方面，所述第一基底材料可以为硅、锗、氮化硼、石英、耐热玻璃、GaAs、AlTiC、Si3N4、金属、高分子等材料，所述第一基底材料优选为硅，更优选为单晶硅片。根据本专利技术的另一个方面，所述第一基底的尺寸为10-500um。根据本专利技术的另一个方面，所述第一基底的表面整体为原子级平整的表面。根据本专利技术的另一个方面，所述第一基底的表面微加工出呈一定形状排布的凸起，所述凸起具有通过微加工技术制备的原子级平整的表面。所述形状可以为圆形、多边形或不规则形状，优选为正方形、长方形、六边形等多边形形状，更优选为六边形形状。根据本专利技术的另一个方面，所述凸起可以为圆柱或多边形柱体，优选为圆柱。根据本专利技术的另一个方面，所述凸起的横截面面积为1-50um，所述凸起的高度为10nm-10um，相邻凸起之间的间距1-10um。根据本专利技术的另一个方面，所述第二基底材料可以为铜或镍、或其合金。根据本专利技术的另一个方面，所述第二基底的尺寸为10-500um。根据本专利技术的另一个方面，所述步骤3的转移过程包括：先将带有多层二维材料薄膜的所述第二基底放入溶液中以蚀刻所述第二基底；再将所述第一基底放入溶液中，之后将所述多层二维材料薄膜的所述第一表面沉积在所述第一基底的表面上，并用第一基底从溶液中捞出所述多层二维材料薄膜；根据本专利技术的另一个方面，所述溶液选自酸溶液、氟化氢溶液、缓冲氧化物蚀刻溶液、FeCl3溶液和Fe(NO3)3溶液组成的组中的至少一种；优选的，所述酸溶液包括硫酸、盐酸、硝酸、正磷酸及乙酸中的一种或多种。根据本专利技术的另一个方面，所述步骤2还包括：在所述大尺度石墨烯薄膜上形成保护层，防止所述大尺度石墨烯薄膜在后续处理过程中发生破坏。所述保护层可以包括从由高分子聚合物、光致抗蚀剂(PR)、电子抗蚀剂(ER)、氧化硅(SiOx)和氧化铝(AlOx)组成的组中选择至少一种材料通过旋涂来形成；所述高分子聚合物选自聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯之一种或多种。根据本专利技术的另一个方面，石墨烯薄膜层数为1～10层，层数取决于碳源供给的量，尺寸取决于制备过程中所使用的第二基体的尺寸。根据本专利技术的另一个方面，所述碳源可以为气态碳源、液态碳源或固态碳源。根据本专利技术的另一个方面，所述步骤4还包括：用有机溶剂将覆盖在所述大尺度石墨烯薄膜表面的保护层溶解去除，所述有机溶剂可以是丙酮溶液。根据本专利技术的另一个方面，所述干燥处理包括用真空干燥箱干燥、倾斜静置自然晾干或加热干燥。根据本专利技术的另一个方面，步骤5中的所述拉力是通过毛细力产生的吸力作用于所述第一基底和所述多层二维材料薄膜，所述压力为通过压缩空气施加压力。根据本专利技术的另一个方面，所述施加压力包括以下步骤：施加10-150MPa的压力并维持10-30min，使得所述多层二维材料薄膜的所述第一表面紧密覆盖在所述第一基底的表面上，所述多层二维材料薄膜所述第一表面与所述第一基底的表面紧密贴合后，所述多层二维材料薄膜的所述第二表面呈现为原子级平整的表面，所述多层二维材料薄膜的所述第二表面为超滑面，由此制备得到大尺度超滑器件，优选的，所述多层二维材料薄膜是石墨烯薄膜。根据本专利技术的另一个方面，在大尺度超滑器件制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备大尺度超滑器件的方法，包括：/n步骤1：提供第一基底，所述第一基底具有原子级平整表面；/n步骤2：提供第二基底，在所述第二基底上生长多层二维材料薄膜，其中所述多层二维材料薄膜具有第一表面和第二表面；/n步骤3：将所述多层二维材料薄膜转移至所述第一基底的原子级平整表面上；/n步骤4：对带有所述多层二维材料薄膜的所述第一基底进行干燥处理；/n其特征在于：/n还包括步骤5：通过对所述多层二维材料薄膜施加拉力和/或压力，将所述多层二维材料薄膜的所述第一表面紧密覆盖在所述第一基底的原子级平整表面上，使得所述多层二维材料薄膜的所述第二表面为超滑面。/n

【技术特征摘要】
1.一种制备大尺度超滑器件的方法，包括：
步骤1：提供第一基底，所述第一基底具有原子级平整表面；
步骤2：提供第二基底，在所述第二基底上生长多层二维材料薄膜，其中所述多层二维材料薄膜具有第一表面和第二表面；
步骤3：将所述多层二维材料薄膜转移至所述第一基底的原子级平整表面上；
步骤4：对带有所述多层二维材料薄膜的所述第一基底进行干燥处理；
其特征在于：
还包括步骤5：通过对所述多层二维材料薄膜施加拉力和/或压力，将所述多层二维材料薄膜的所述第一表面紧密覆盖在所述第一基底的原子级平整表面上，使得所述多层二维材料薄膜的所述第二表面为超滑面。


2.如权利要求1所述的制备大尺度超滑器件的方法，其特征在于：所述第一基底的尺寸为10-500um；所述第一基底材料为硅、锗、氮化硼、石英、耐热玻璃、GaAs、AlTiC、Si3N4、金属、高分子等材料，所述第一基底材料优选为硅，更优选为单晶硅片。


3.如权利要求1所述的制备大尺度超滑器件的方法，其特征在于：所述第一基底的表面整体为原子级平整表面；或者所述第一基底的表面呈一定形状排布的凸起，所述凸起具有原子级平整的表面，所述形状为圆形、多边形或不规则形状，优选为正方形、长方形、六边形等多边形形状，更优选为六边形形状。


4.如权利要求3所述的制备大尺度超滑器件的方法，其特征在于：所述凸起为圆柱或多边形柱体，优选为圆柱；所述凸起的横截面面积为1-50um，所述凸起的高度为10nm-10um，相邻凸起之间的间距小于1-10um。


5.如权利要求1所述的制备大尺度超滑器件的方法，其特征在于：通过化学气相沉积方法在所述第二基底上生长出大尺度多层二维材料薄膜，优选的，所述多层二维材料薄膜为多层石墨烯薄膜，所述第二基底材料为铜或镍、或其合金，所述第二基底的尺寸为10-500um，优选的，所述步骤2还包括在所述所述多层二维材料薄膜上形成保护层；所述保护层包括从由高分子聚合...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑泉水，邓杨，
申请(专利权)人：深圳清华大学研究院，清华大学，
类型：发明
国别省市：广东;44