气体吸附对暴露/覆盖的石墨原子台阶边缘摩擦力的影响

石墨具有优异的润滑性能，在航空航天和微纳器件润滑领域具有广阔的应用前景。本文借助原子力显微镜外接自制的气氛控制装置，探究了气体吸附对暴露和覆盖的石墨原子台阶边缘摩擦力的影响。研究结

石墨，二硫化钼(MoS2)，二硫化钨(WS2)等二维材料由于层间作用力非常弱，其表面摩擦力低，具有优异的润滑性质，非常适合用于作纳米润滑材料[1] [2] [3] [4]。近年来国内外学者甚至尝试借助石墨， MoS2 等材料实现超滑[5] [6]。为了更好降低此类纳米润滑材料的摩擦力，达到更好的润滑效果，有必要研究其在微观尺度下的摩擦性能。石墨由于具有优异的晶体取向，且结构稳定，成为了研究纳米润滑材料微观摩擦性能的理想之选。在原子尺度下石墨表面具有大量片层结构，其结构形似于台阶。研究表明石墨层间原子台阶对石墨表面摩擦力有极大的影响，这种现象也存在于其它二维材料，如MoS2，WS2等的润滑过程[7] [8]。然而，有关环境气氛的影响研究还很少涉及。因此，本文借助原子力显微镜外接自制气氛控制装置详细研究了氧气和氮气吸附对石墨原子台阶边缘摩擦行为的影响规律。

2. 实验材料及方法 2.1. 实验材料 实验中所使用的材料为高定向热解石墨(Highly Oriented Pyrolytic Graphite， HOPG)， 是一种性能接近单晶石墨的高纯度石墨单质，其精度等级为A，镶嵌度为0.5˚ ± 0.1˚。

2.2. 实验仪器及方法 摩擦力测试实验在外接有自制气氛控制系统的原子力显微镜(AFM， SPI3800N， Seiko， Japan)上完成。

摩擦力测试中所使用的原子力探针为氮化硅(Si3N4)针尖， 针尖曲率半径约为15 nm。

实验前后均对针尖进行了标定，弹性系数约为0.1 N/m，扭转刚度约为0.15 nN/mV。图1 所示为Si3N4 针尖的SEM 形貌图。

Figure 1. SEM image of the Si3N4 tip 图1. Si3N4 针尖的SEM 形貌图 4 μm200 nm