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石墨烯纳晶碳膜的透射电镜原位纳米力学摩擦学特性研究

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随着纳米技术发展，基于纳米探针滑动接触的纳米操作技术应用广泛。然而在小尺度机械系统中，由于纳米表面的表面积-体积比增大使表面效应增强，探针与表面间的粘着接触尤为严重，进而导致一系列的粘着失效和纳米摩擦问题，影响纳米显微镜、纳米器件以及纳米加工方法的准确度和可靠性。石墨烯纳晶碳膜由于具有石墨的低剪切强度和非晶的高硬度而展现出优异的宏观摩擦特性，然而在研究这种纳晶结构碳膜在纳米尺度下的摩擦学特性时，从内部结构演化的角度溯源，对于理解纳晶碳膜摩擦界面的物理本质、进而控制纳晶碳膜在机械系统中的纳米摩擦学行为具有重要意义。为此，本研究采用电子回旋共振（ECR）等离子体中的电子和离子照射加工方法制备石墨烯纳晶碳纳米表面。采用PI95原位摩擦测试装置在双球差高分辨透射电子显微镜（赛默飞Titan3 Themis G2 80-300）下进行碳纳米表面的原位纳米压入和纳米划痕实验研究，探针采用立方角金刚石探针，曲率半径为40 nm，二维MEMS传感器用来控制法向和切向的力和位移。纳米压痕测试在载荷控制模式下进行，载荷为10 N, 20 N,和 40 N.纳米划痕测试采用与压痕下相同的载荷，探针滑动距离为200 nm，滑动时间15 s。在纳米压痕和纳米划痕测试过程中，采用80kV的电子束原位观察接触界面，并且记录载荷-位移曲线以及摩擦力曲线。纳米压痕测试得到连续的载荷-位移曲线，没有发现明显的薄膜破裂，只有一部分塑性变形产生。同时发现卸载后，由于粘附力的作用探针会粘着再碳膜表面。对于电子和离子照射得到的石墨烯纳晶碳膜，粘附力随着载荷的增加而增加。在相同纳米压痕载荷下，电子照射得到的石墨烯纳晶碳膜表面的粘附力小于离子照射薄膜。原位摩擦测试结果发现由于粘着的作用，两种碳膜表面在透射电镜下均表现出粘滑摩擦现象。在10 N的法向载荷下，电子照射表面展现出更高的摩擦系数，并且磨损更加明显。研究结果表明，对于石墨烯纳晶碳膜，粘附力影响表面的粘滑摩擦程度，而表面的力学特性则影响其摩擦系数和磨损程度。研究结果对于阐明石墨烯纳晶碳膜的纳米摩擦接触特性具有重要的科学意义。