一种调节二维材料的摩擦系数的方法技术

本发明专利技术提出了一种调节原位生长二维材料摩擦系数的方法，首先在基底表面上生长二维材料，然后对带有二维材料的基底使用光滑、坚硬的尖端部件进行反复规律性摩擦，摩擦速度在0.1μm/s到100μm/s，调节尖端部件与二维材料接触的正压力，使基底产生塑性形变，维持一定摩擦周期后，基底表面形成塑性硬化区域，得到摩擦力下降的带有二维材料的基底表面，摩擦力下降程度由尖端部件与二维材料接触的正压力大小来调节，最高可以下降40％。

【技术实现步骤摘要】
一种调节二维材料的摩擦系数的方法
本专利技术涉及摩擦领域，尤其涉及调节二维材料的摩擦系数的方法。技术背景二维材料，是指电子仅可在两个维度的纳米尺度(1-100nm)上自由运动(平面运动)的材料，如纳米薄膜、超晶格、量子阱。二维材料是伴随着2004年曼切斯特大学Geim小组成功分离出单原子层的石墨材料——石墨烯(graphene)而提出的。二维材料的电子仅可在两个维度上自由运动的材料，横向尺寸很大，而厚度方向仅有一个或几个原子层厚度。二维材料因其载流子迁移和热量扩散都被限制在二维平面内，使得这种材料展现出许多奇特的性质。其带隙可调的特性在场效应管、光电器件、热电器件等领域应用广泛；其自旋自由度和谷自由度的可控性在自旋电子学和谷电子学领域引起深入研究；不同的二维材料由于晶体结构的特殊性质导致了不同的电学特性或光学特性的各向异性，包括拉曼光谱、光致发光光谱、二阶谐波谱、光吸收谱、热导率、电导率等性质的各向异性，在偏振光电器件、偏振热电器件、仿生器件、偏振光探测等领域具有很大的发展潜力。对于摩擦问题，相比于常规的固体润滑层，二维材料的润滑层除了具有与常规固体润滑层相似的能够在真空、低温、低速下正常使用，仍然能够保持较好的润滑特性的特点外，还有着极小的厚度、化学惰性高等特点。随着尺度的缩小，物体的面积与体积之比越来越大，尤其是对于微纳米器件而言，摩擦磨损影响着器件的使用寿命，成为阻碍其发展的关键性问题。而二维材料的出现，成为解决这一问题的可能途径。在实际的应用中，人们希望可以尽可能地降低二维材料的摩擦力，增加器件的寿命，降低器件磨损和减少能量损耗。一般来说，降低二维材料的摩擦力可以通过以下方式实现：一是化学方法，如采用离子轰击或与一些溶液反应。但是，这会引入杂质并破坏二维材料，降低二维材料的使用寿命，而且调节过程不可逆。二是控制生长条件，更改二维材料生长时间和生长速度等。但控制生长条件会引起基底的不可控变化，并且得到的生长后的表面上二维材料化学性质不均匀。三是控制摩擦环境气氛，比如在氢气或者湿度较大的环境中时，石墨烯破坏的悬键会与氢原子或者氢氧根结合，起到钝化作用，阻止石墨烯继续被破坏。但改方法使用条件苛刻，需要专门控制气氛，容易与其他工艺冲突。另外，增强二维材料的基底硬度也能实现摩擦力的降低。现有的方法有将二维材料生长在比较坚硬的基底上，或者通过对材料施加预应力，使基底出现加工硬化。但是目前现有公开的方法都有一些缺陷，如比较坚硬的基底可能并不适合生长二维材料。而对材料施加预应力，一般是通过与另外一个光滑坚硬平面挤压，或者与圆柱滚子挤压，或者使用小球不停随机锤击的方法。由于基底表面本身起伏不平，这三种方法不能保证整个平面都能施加预应力，而且这些过程中存在的局部应力也会导致二维材料破损。因此，希望找到一种不会对样品引入新的杂质，也不会造成二维材料的破坏；操作简单的调节二维材料摩擦力的方法。
技术实现思路
为了能够解决上述问题，本专利技术提出了以下方案：首先在基底表面上生长二维材料，然后对生长有二维材料的基底使用光滑、坚硬的尖端部件进行反复规律性摩擦，摩擦速度在0.1μm/s到100μm/s，调节尖端部件与二维材料接触的正压力，使基底产生塑性形变，维持一定摩擦周期后，基底表面形成塑性硬化区域，得到摩擦力下降的带有二维材料的基底表面，摩擦力下降程度由尖端部件与二维材料接触的正压力大小来调节，最高可以下降40％。具体来说，本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：在基底表面上生长二维材料，其特征在于，对带有所述二维材料的基底使用尖端部件进行反复规律性摩擦，得到摩擦系数下降的二维材料。进一步的，尖端部件的规律性摩擦可以为线状、面状、或者二者的结合。进一步的，所述尖端部件反复规律性摩擦周期为1个周期以上，优选为10个周期以上，更有选为30个周期以上。进一步的，尖端部件选用较为坚硬的光滑探针，优选为具有金刚石镀层的探针。进一步的，所述尖端部件也可以为小球，直径为10nm-0.5mm，优选为100nm至10μm。进一步的，反复规律性摩擦的速度是0.1μm/s到100μm/s。进一步的，摩擦力下降的程度由所述尖端部件与所述二维材料接触的正压力大小来调节。进一步的，正压力范围选自300MP至9GPa，优选为700MPa至7GPa，更有选为2GPa至6GPa。进一步的，采用化学气相沉积法在基底表面生长二维材料。进一步的，二维材料可以是石墨烯层。进一步的，生长基底可以选自铜、铁、镍基底。进一步的，带有所述二维材料的基底和所述生长二维材料的基底可以是不同的基底。由本专利技术的技术方案可知，通过对在基底上的二维材料进行反复的摩擦，在摩擦的过程中，基底发生塑性变形，产生加工硬化，摩擦力逐渐降低；经过一段时间的摩擦磨合，基底硬化过程趋于稳定，不再发生塑性变形，摩擦力可维持不变；得益于二维材料本身的分子结构，在面外没有悬空的化学键，采用本专利技术的方法来调节摩擦力，可以有效避免二维材料的磨损；相比于化学修饰的方法，不会对样品引入新的杂质，也不会造成二维材料的破坏；相比于增强基底强度的方法，可以在合适的基底上生长出较好的二维材料，而且可以均匀地对基底进行加工硬化，并将局部应力的影响降到最低；本专利技术的方案操作简单，设备搭建简单易行。附图说明图1示出本专利技术工艺流程图；图2示出本专利技术操作示意图；图3示出平均摩擦力随着原子力显微镜探针重复摩擦的变化；图4示出探针摩擦前后的拉曼光谱图；图5示出摩擦力对比图，(线扫描256圈)区域内反复摩擦后石墨烯覆盖的铜表面出现低摩擦区域；图6示出摩擦力对比图，矩形区域内反复摩擦后石墨烯覆盖的铜表面出现低摩擦区域。具体实施方式实施例1：以下将参考附图详细描述本专利技术调节二维材料摩擦力的工艺。提供铜基底，在铜基底表面采用CVD法生长单层石墨烯，所述CVD法沉积石墨烯薄膜过程中碳源为甲烷，气体为氢气、氦气的混合气体，沉积温度为1050℃。将带有单层石墨烯的铜箔基底放置在原子力显微镜下，使用具有金刚石镀层的原子力显微镜探针沿一条线对铜箔上的石墨烯进行恒定正压力下的来回接触式刻划，正压力为300MPa；在扫描的过程中，由于针尖与石墨烯接触区域的局部最大正压力大于基底铜箔的最大屈服应力，铜箔出现塑性变形，进而出现加工硬化，导致摩擦力逐渐降低，平均摩擦力由43nN将至30nN以下；最终到达稳态，铜箔的弹性变形足以抵抗针尖的正压力，摩擦力下降停止，持续维持在30nN以下，之后的拉曼表征发现D峰(1350cm-1)没有出现，表明石墨烯没有出现磨损。此时可创造出面状的低摩擦力区域，如图5所示，石墨烯薄膜的平均摩擦力可降至30nN以下。实施例2：提供铜基底，在铜基底表面采用CVD法生长单层石墨烯，所述CVD法沉积石墨烯薄膜过程中碳源为甲烷，气体为氢气、氦气的混合气体，沉积温度为1050℃。将带有单层石墨烯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种调节二维材料摩擦系数的方法，包括，在基底表面上生长二维材料，其特征在于：对带有所述二维材料的基底使用尖端部件进行反复规律性摩擦，得到摩擦系数下降的二维材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种调节二维材料摩擦系数的方法，包括，在基底表面上生长二维材料，其特征在于：对带有所述二维材料的基底使用尖端部件进行反复规律性摩擦，得到摩擦系数下降的二维材料。


2.如权利要求1所述的一种调节二维材料摩擦系数的方法，其特征在于，所述尖端部件的规律性摩擦可以为线状、面状、或者二者的结合。


3.如权利要求1或2所述的一种调节二维材料摩擦系数的方法，其特征在于，所述尖端部件反复规律性摩擦周期为1个周期以上，优选为10个周期以上，更有选为30个周期以上。


4.如权利要求1至3任一项所述的一种调节二维材料摩擦系数的方法，其特征在于，所述尖端部件选用坚硬的光滑探针，优选为具有金刚石镀层的探针，所述尖端部件的尖端可以为小球，直径为10nm-0.5mm，优选为100nm至10μm。


5.如权利要求1至4任一项所述的一种调节二维材料摩擦系数的方法，其特征在于，所述反复规律性摩擦的速度是0.1μm/s到10...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑泉水，赵叔吉，姜海洋，
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