電場中的摩擦特性對于石墨烯作為固體潤滑劑在石墨烯基微/納機電系統中的應用非常重要。 基于導電原子力顯微鏡的研究表明，石墨烯與SiO2/Si襯底之間的界面水會影響石墨烯在電場中的摩擦。沒有施加電壓的摩擦仍然很低，因為界面水保持穩定的冰狀網絡。 但是，施加電壓后的摩擦力會增加，因為極性水分子會被電場吸引并聚集在尖端周圍。 聚集的界面水不僅增加了石墨烯的變形，而且在摩擦滑動過程中還被尖端推動，從而導致摩擦力增加。 這些研究為石墨烯作為固體潤滑劑在電場中的應用提供了有益的指導。
圖 1. 石墨烯與(a)無偏壓尖端(0 V)和(b)負偏壓尖端(5 V)摩擦后的形貌圖像。在10 nN的正常負載、500 nm的掃描距離和1 Hz的掃描速率下記錄摩擦。(c)當尖端電壓分別為0 V和5 V時，摩擦隨時間的變化。插圖顯示了單次掃描中橫向力的變化。(df)石墨烯沿(a)和(b)線的高度分布。
圖 2. (a) 掃描尺寸為 500 × 500 nm 和正常負載為 10 nN 的摩擦圖像。 虛線方塊表示納米凸塊的位置。 (b) 與摩擦圖像同時獲取的地形圖像。 (c) 追蹤和回溯方向的橫向力和 (d) 沿 (a) 中所示的綠線和紅線的摩擦力。
圖 3. (a)摩擦測量后的地形圖圖像和(b)圖1b中黃色方塊的附著力圖。(c，d)圖2b中藍色和橙色圓圈的力-距離曲線。(e)掃描尺寸為6 × 6 μm的石墨烯的形貌圖像。(f)沿(e)中所示的綠線和紅線的高度輪廓。
圖 4. (a) 摩擦測量前石墨烯的形貌。 黑色、紅色和藍色線表示摩擦測量的位置。插圖顯示了沿白線的高度輪廓。 (b) 摩擦力作為負載的函數，電壓為 0 V 和 -5 V。實線適合 DMT 模型。 (c) 摩擦測量后石墨烯的形貌。 插圖顯示了將納米凸塊從石墨烯中推出后白盒的局部形貌。 (d) 沿 (c) 中紅線、藍線和綠線的高度剖面。 (e) 從 FEM 計算的尖端周圍的電場強度分布。
圖 5. 當（a）無偏尖端和（b）有偏尖端掃描石墨烯時界面水分子狀態的示意圖。
相關研究成果由東華大學Yitian Peng等人2022年發表在Nano Letters (https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00361)上。原文：Role of Interfacial Water in the Tribological Behavior of Graphene in an Electric Field。
轉自《石墨烯研究》公眾號
