電場下懸浮六方氮化硼摩擦特性的研究*

陳星源 黃瑤 彭倚天

(東華大學機械工程學院, 上海 201620)

六方氮化硼(hexagonal boron nitride, h-BN)因其良好的潤滑性和絕緣性, 在微納機電系統中有巨大的應用潛力.本文通過基底刻蝕的工藝, 在SiO2/Si基底上制備了微孔陣列, 然后將h-BN轉移到微孔基底上形成懸浮結構, 利用原子力顯微鏡研究電場對懸浮h-BN摩擦特性的影響.結果表明: 懸浮狀態的h-BN的表面摩擦力小于有基底支撐的h-BN的表面摩擦力, 原因是更大的面內拉伸削弱了褶皺效應.電場作用下, 針尖與h-BN之間的靜電相互作用增強, 懸浮h-BN表面的摩擦力隨偏壓的增大而增大, 且正偏壓的影響大于負偏壓的影響.同時, 在電場下針尖在懸浮h-BN表面的黏滑行為出現單步黏滑向多步黏滑的轉變.此外, 與有基底支撐的h-BN相比, 懸浮狀態的h-BN受電場的影響更大, 這是由于針尖與基底界面距離的縮小以及基底氧化層的缺失導致靜電力增強.本文提出了通過施加外電場來調節懸浮h-BN表面摩擦的方法, 對研究二維材料摩擦特性提供了一定的理論指導.

1 引 言

精密化制造是現代制造業的一個重要的發展方向, 而微納機電系統由于尺寸的急劇縮小, 比表面積更大, 受黏附和摩擦磨損的影響會更嚴重[1].傳統的液體潤滑劑顯然不再適用于解決微納尺度下的潤滑問題, 而二維材料由于具有原子級厚度以及優異的潤滑性表現出巨大的應用潛力.其中, 六方氮化硼(hexagonal boron nitride, h-BN)具有優異的絕緣和機械特性, 越來越受到關注.因此, 研究h-BN的摩擦特性, 對……