测量本征石墨烯摩擦力与黏着力的实验方法

范娜 郭剑 彭倍 姜海

【摘要】石墨烯是目前最重要的纳米材料之一，其极低的摩擦系数有望解决微纳米器件服役过程中存在的摩擦学问题。然而，目前对石墨烯的黏着力及摩擦力的测量一般在各类平基底上完成，基底效应对测量结果的影响难以避免。因此，该研究提出了一套可规避基底效应的，针对本征石墨烯的表面摩擦力及黏着特性测试的实验方法。

【关键词】本征石墨烯 摩擦力 黏着力

【基金项目】中央高校基本科研业务费项目（基础研究类）ZYGX2015J084；電子科技大学2017年度本科教学改革“新生研讨课建设项目”（2017XJYX22）。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）37-0157-01

石墨烯是纳米技术领域里最重要的纳米材料之一，是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是构建其它维数碳质材料（如零维富勒稀、一维碳纳米管、三维石墨）的基本单元。研究发现石墨烯表现出独特的力、光、电、热特性，如高达 130 GPa 的本征强度，是目前强度最高的材料。石墨烯的上述优异性能和独特的纳米结构使其有望在能源领域—太阳能电池、微电子领域—新型晶体管、传感器 ，材料领域—高性能纳米润滑剂等领域获得广泛应用。自石墨烯高强度的力学性能及超薄的润滑性能经理论和实验验证之后，学者开始关注利用石墨烯的低摩擦系数来解决微纳米器件服役过程中存在的摩擦学问题，从而达到降低磨耗、延长器件的使用寿命等目的。然而，目前对石墨烯的黏着力及摩擦力的测量一般在各类平基底上完成，基底效应对测量结果的影响难以避免。因此，目前暨待提出一套简便、可靠、尤其可规避基底效应的，针对本征石墨烯的表面黏着及摩擦特性测试的实验方法。

一、实验材料和实验设备

（1）实验材料：具备光栅结构的二氧化硅基底，生长在铜箔上的石墨烯薄膜，载玻片，胶带，纳米探针。（2）实验设备：原子力显微镜，超声清洗仪。

二、实验方法和步骤

（1）清洁：将带有光栅结构的二氧化硅基底置于丙酮和去离子水中，利用超声波反复清洗3-5次，每次时间为3-5分钟，清洗完毕后在红外线下烘干；（2）石墨烯薄膜转移：将生长有石墨烯薄膜的铜膜平放在载玻片上，将胶带（PMMA）紧贴在石墨烯薄膜上；随后将其放入腐蚀液中腐蚀掉铜膜，得到胶带-石墨烯薄膜结构，并用去离子水反复漂洗3-5次，每次时间为3-5分钟；然后将其置于具有沟槽阵列的目标基底上，于常温条件下自然放置3-6 小时，最后从水平方向缓慢撕掉胶带，实现石墨烯的转移；（3）判断是否得到本征石墨烯：将纳米探针安装在原子力显微镜上，启动设备，对转移前后的光栅基底进行扫描成像，对比转移前后光栅沟槽的深度来判断是否得到了悬挂的石墨烯。转移前12条宽度与深度渐变的光栅沟槽组成的阵列结构，其中每三条为一组，每组的平均宽度依次为300 nm、600 nm、800 nm、1200 nm、1400 nm，深度依次为深约70 nm、230 nm、340 nm、420 nm、430 nm 的多个沟槽组成的阵列结构；而图2B示出了将单层石墨烯转移至图1A所示的具有沟槽阵列基底表面形貌，显示出宽度不大于800 nm的沟槽方能成功地实现单层石墨烯的覆盖，当石墨烯转移后，光栅沟槽上由于悬挂了石墨烯，深度仅有几到几十个纳米，由此判断得到了悬空的、不受基底效应影响的本征石墨烯；（4）本征石墨烯摩擦力和粘着力的测试：在光学显微镜下将纳米探针定位至待测区域，控制探针以接触模式、按照设定的扫描轨迹在样品表面对待测区域进行扫描定位，最终对待测区域内沟槽上部的本征石墨烯进行摩擦力及黏着特性的测试。

三、试验结果

图2示出了本征石墨烯表面的黏着及摩擦特性结果。其中图2A示出了二氧化硅膜表面、本征石墨烯以及平铺在二氧化硅表面黏着特性的测试结果，本征石墨烯和二氧化硅基底上的石墨烯的表面黏着特性接近；而图2B分别示出了在不同的法向力作用下，本征石墨烯和二氧化硅基底上的石墨烯的表面摩擦特性的测试结果，显见本征石墨烯的摩擦力更小。

四、结语

该研究提出了一套可规避基底效应的，针对本征石墨烯的表面摩擦力及黏着特性测试的实验方法。该实验不仅适合本科生关于纳米技术的基础实验教学，让学生在实验实践加深对石墨烯的认识，学会分析石墨烯的力学性能，还可以针对研究生开展探索性的实验教学，进行延伸性的实验，比如可以比较多层石墨烯的摩擦和黏着特性，比较有无缺陷的石墨烯的摩擦和黏着特性。该实验对培养学生的科学意识和创新精神，提高学生综合运用知识，分析问题解决问题的能力发挥了十分重要的作用。

参考文献：

[1]刘兆平，周旭锋.浅谈石墨烯产业化应用现状与发展趋势[J].新材料产业，2013，（09）.

[2]韦林， 刘五祥， 方明霞， 朱金龙. 新型摩擦实验装置的研制与应用[J]， 实验室研究与探索，2011，06.