基于导电AFM的六方氮化硼摩擦特性研究

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六方氮化硼由于其极强的抗电流、抗氧化、高耐热等特性以及优异的润滑性能,成为了二维材料领域研究的新宠。另外由于支撑石墨烯的基底质量对石墨烯器件的性能影响很大。二维层状材料六方氮化硼与石墨烯的电学性能能够互补,凭借这一优势可以作为石墨烯基底的最佳候选材料。因此研究六方氮化硼的带电摩擦和摩擦起电特性,有利于开发六方氮化硼巨大的应用潜力。本文首先利用导电原子力显微镜对不同基底上的六方氮化硼的带电摩擦特性进行实验研究和理论分析。研究了施加在导电针尖和基底之间的偏压差的大小、方向等参数对六方氮化硼摩擦性能的影响,对比两种基底上六方氮化硼偏压纳米摩擦调控的异同。最后研究了六方氮化硼摩擦起电的特性和机理,通过调控导电针尖的偏压可以对六方氮化硼的摩擦起电进行稳定控制。对于SiO2/Si/Au基底上的六方氮化硼摩擦特性研究,当施加在导电针尖和基底上的偏压存在偏压差时,可以通过静电吸引调节六方氮化硼的纳米摩擦。类似于给电容器充电,造成了SiO2/Si界面的能带发生弯曲,载流子的集聚和耗散产生的相反电荷分布在导电针尖表面和SiO2/Si界面。两边电荷产生的静电吸引导致了施加在导电针尖的载荷发生了变化,从而改变了六方氮化硼的摩擦和粘附。对于Au/Si基底上的六方氮化硼,整个系统可以等同于平行板电容器。施加在探针上的偏压会改变导电针尖的费米能级,从而影响探针和样品之间的电荷转移,正的偏压差使样品的表面势呈正电性,负的偏压差使样品的表面势呈负电性。正电性和负电性的表面电势会在导电针尖表面和Au基底上诱导产生相反的电荷,电荷形成的静电吸引通过调控载荷改变了六方氮化硼的粘附和摩擦。最后,我们系统地研究了在偏压调控导电针尖和六方氮化硼表面之间的原位电荷转移、摩擦的多周期电荷积累和随后转移后的电荷在表面的耗散。施加在探针上的偏压会改变导电针尖的费米能级,从而影响探针和样品之间的电荷转移,改变了六方氮化硼的表面电势。另外改变的表面电势在表面的耗散速度要大于纵向的扩散速度,导致了表面电势会随着时间发生耗散。
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