基于鈦酸鋇的納米摩擦能耗的研究

錢益心

摘要：本文利用原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM），使用不同型號的探針，主要研究壓電材料鈦酸鋇極化條件下正壓力對摩擦力，粘附力的關系，同時也通過對比鈦酸鋇和硅片的摩擦力大小，觀察電子耗散對摩擦力的影響，并得出重要結論：對于鐵電材料鈦酸鋇而言，電子對摩擦力的影響不容忽視。

關鍵詞：原子力顯微鏡;鈦酸鋇;摩擦力

引言

摩擦學是一個古老的學科，人類在遠古時期就學會摩擦生火，但是并沒有認識到摩擦的本質。

但真正系統提出聲子耗散模型的是1991年J.Krim[1]用石英晶振天平測量吸附在金表面的單層Kr薄膜的摩擦力和1994年Robbins等人[2]用分子動力學探討聲子對摩擦的影響。他們認為由于兩個物體的相對位移，會使物體的晶格原子有微小彈性變形，由于運動是單向的，滑動處原子的勢能在滑動方向上并不是對稱的，則該類原子在位移方向上會有躍遷位移的非對稱項，這部分彈性變形能將以聲子方式向周圍介質耗散。

聲子耗散由晶格振動引起的，一般只有幾個納米。電子耗散既可由共價鍵、范德華等作用力引起，也可由電場力引起，電場力作用范圍可達到幾十納米。1986年，Krim等人[3-5]利用石英晶體微天平（QCM）研究鉛表面和在其上流動的氮氣分子的界面摩擦，發現當溫度到達鉛的超導轉變溫度（Tc=7.2K）時摩擦力突然大幅降低，并由此提出了電子對于摩擦力的影響。對此他們認為：摩擦的能量耗散形式有兩種：電子空穴對的擴散散射和聲子激勵。在超導態下，材料的電阻為零，電子散射很小，摩擦系數大幅降低。2001年Kuleba等[6]研究超導轉變對于材料摩擦性能的影響，發現很多材料在超導轉變溫度下摩擦系數都大幅降低。

隨著電子及微電子工業的快速發展，日美等發達國家研制出了一系列高純度超細鈦酸鹽產品。從以前的喇叭到電容器中，基本都離不開壓電材料，鈦酸鋇晶體被廣泛應用于超聲波儀器和水底探測器中。這些壓電材料在摩擦過程中電子耗散后會嚴重影響其使用壽命，因此對壓電材料的摩擦性能進行研究已經刻不容緩。

本文主要的研究工作是對鈦酸鋇使用不同型號的探針進行粘附力的測量，同時還研究了正壓力與粘附力的關系，并且將鈦酸鋇與硅片上的摩擦力進行對比，并且得出相關結論：鈦酸鋇上的摩擦能耗不僅僅有聲子耗散，電子耗散同樣占據重要位置且不容忽視。

1 材料

鈦酸鋇（BaTiO3）是最早發現的一種具有ABO3型鈣鈦礦，是具有壓電效應的鐵電體[7_ENREF_2]。樣品購自合肥科晶材料技術有限公司。

2.實驗

2.1 樣品介紹

實驗所用鈦酸鋇在z軸方向上存在電偶極矩（實驗溫度大約在25℃），是電子陶瓷中使用最廣泛的材料之一，被譽為“電子陶瓷工業的支柱”?[8]，鈦酸鋇的電容率大、非線性強（可調性高），但嚴重依賴于溫度和頻率。樣品形狀是5x5x0.5 mm的長方體，表面粗糙度達到皮米級別。

2.2 探針的選擇

本實驗一共選擇了兩種探針進行對比，分別是不導電探針AC240TS和導電探針AC240TM。這兩種探針除了導電性不一樣，針尖半徑也相差較大，AC240TM由于鍍了金屬半徑約為30nm，AC240TS半徑約10nm。

2.3摩擦力測量方法

探針的測向靈敏度校正主要采用楔形法。本實驗采用光柵法[9-11]進行測量，所使用的型號為TGG01。

3.實驗結果與討論

鈦酸鋇在能量耗散上面既有電子耗散也有聲子耗散。為了探究極化電荷對摩擦力的影響，我們還在硅表面進行了不同探針的摩擦力的測量。由于硅表面也很光滑，表面粗糙度和鈦酸鋇一樣，但是不具有壓電效應，將實驗結果和鈦酸鋇進行對比就可得出極化電荷對摩擦力的影響。實驗結果如圖1所示。

從圖1可以看出，不管使用的探針是否導電，具有壓電效應的鈦酸鋇測量得到的摩擦力始終高于在硅片上測量得到的摩擦力。

圖1的結果排除了表面粗糙度等因素的影響，我們將高出來的那部分歸結為壓電效應的影響，主要是電子的耗散引起的摩擦力的增大。并且從實驗結果來看，隨著正壓力的增加，鈦酸鋇和硅片上的摩擦力數值之差越來越大，這是因為施加的外載荷大了，壓電常數不變，因此表面會積聚更多的電荷，電子耗散會更多。

摩擦力-正壓力線性關系表明實驗中針尖與樣品表面存在多個粗糙峰的接觸。Schwarz等人[12]在氬氣環境下選用無定形碳作為樣本，使用不同半徑的球型探針，測得一系列F_L—F_N曲線，也得出摩擦力隨著正壓力的增加呈近似線性變化的結論。摩擦力對法向載荷的依賴與其他組的實驗結果[13-14]一致，證實我們實驗的正確性。

4.總結

1. 當探針與樣品有較長時間的停留時，粘附力會增大;

2. 摩擦力與正壓力呈線性關系;

3. 對于鈦酸鋇而言，電子耗散導致的摩擦力不容忽視。

4. 壓電材料的摩擦不僅與聲子耗散有關，電子耗散也起著重要作用。

參考文獻

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