研究 | 与金刚石共价键合的垂直石墨烯片的超高机械强度

垂直石墨烯片 (VGs) 共价键合到金刚石基底上，可以表现出超高的机械强度，防止刮擦、摩擦和压缩和压缩方面具有超高的机械鲁棒性。

近日，上海交通大学沈彬教授等相关研究人员使用金刚石探针进行了 AFM 测试，以研究在金刚石基底上制造的 VGs 薄膜的界面力学性能。VGs与金刚石之间独特的键合结构，具有超强的C-C共价键，即使在高达53.7 GPa的接触压力下，也能有效抑制VGs从金刚石基底上拔起。尽管在超过 25 GPa 的接触压力下石墨烯片不可避免地断裂，但断裂的石墨烯片残留物仍然可以作为机械坚固的 VGs 薄膜，它们保留了它们与金刚石基底的共价键。此外，在长时间 AFM 摩擦试验中，VGs 的摩擦系数稳定在0.03左右，比磨损率低至2.0 × 10⁻⁴ mm³/Nm，几乎可以忽略。由于相邻石墨烯片之间的相对滑动被 VGs 和金刚石基底之间的界面共价C-C键抑制，压缩后的压缩的 VGs 薄膜转变为鳞片状结构，由致密堆叠的石墨烯片组成，内部形成一定浓度的sp³ 键(高达8%)。这种结构具有极高的弹性模量和抗压强度，主要归功于VGs在摩擦和压缩时表现出的超高稳定性和可持续性。本研究提出的研究结果有望促进 VGs 和金刚石在电子、光学、机械和摩擦学领域的结合使用。

相关研究成果以“ Ultrahigh mechanical robustness of vertical graphene sheets covalently bonded to diamond” 为题，发表在Carbon 上。（https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.09.046）

图文解读

图1. 与金刚石基体共价结合生长的 VGs 的表征。

(A) 生长 VGs 边界附近区域的 SEM 图像。插图是生长的 VGs 的顶视图 SEM 图像。(B) 从裸金刚石和生长的 VGs 表面获得的拉曼光谱。(C) AFM 形貌以及 VGs 边界的 2D 表面轮廓交叉，标记为白色虚线，从中测量到的生长 VGs 的高度为 200 nm。(D) 生长的石墨烯纳米片的测量高度和长度分布。

图2. AFM 划痕测试

图3. VGs 边缘 AFM 划痕的 MD 模拟。

(A) 仿真模型说明。(B) 当金刚石尖端以各种法向载荷扫描时，顶层石墨烯纳米片的断裂。(C) 在两个周期的划痕模拟 (400 nN) 期间六个典型时刻的快照。

图4. 100 次循环 AFM 划痕测试的结果

图5. AFM 摩擦测试

图6. VGs表面平冲压痕的实验结果

图7. 石墨烯-金刚石共价异质结构在压缩下的响应