东华大学Yitian Peng等–原子层石墨烯上摩擦力的灵活调控

柔性微尺度摩擦力的调谐对于可穿戴电子设备、触觉传感器和柔性齿轮的可靠性是可取的。在此，使用直径为5微米的1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷（FDTS）自组装单层（SAMs）修饰的微球探针，在微尺度上获得了原子薄石墨烯在柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）基体上的摩擦力调谐。摩擦力可以通过PDMS的弹性模量和石墨烯的厚度的差异进行大尺度的调整。FDTS SAMs修饰的探针的疏水特性通过减少界面附着力和防止毛细管相互作用的影响而减少了摩擦力；因此，由于压痕深度减少，从而减少了界面接触面积，摩擦力随着PDMS基体弹性模量的增加而减少；同时，随着石墨烯厚度的增加，平面外刚度的增强有效地降低了界面接触质量。通过理论计算，从接触区周围的法向和侧向变形产生的摩擦力方面，进一步验证了石墨烯上摩擦力的灵活调整。这项工作对于促进柔性微器件的设计和可靠性是有意义的。

图1. (a) 弹性PDMS基底上的石墨烯的典型AFM形貌。插图：折叠步骤的高度曲线。(b) 不同厚度的石墨烯的拉曼光谱。(c) 直径为5 μm的SiO₂微球探针的SEM图像。插图：微球顶部中心的AFM图像。(d) FDTS修饰的探针与PDMS基底上的石墨烯滑动的示意图。插图显示了FDTS SAMs的化学结构，不同厚度的石墨烯的图示，以及具有可变弹性模量的PDMS的光学图像。

图2. (a) 使用SiO₂微球探针和FDTS修饰的探针在PDMS基底上对石墨烯的附着力和(b)摩擦力与负载的关系。(c) 使用SiO₂探针和FDTS修饰的探针在石墨烯上测量的力分离轨迹曲线。插图：（I、II、III）纳米压痕实验过程和（IV）压痕深度的示意图。(d) 使用SiO₂探针和FDTS修饰的SiO₂探针测量压痕深度。PDMS基底的弹性模量为0.12MPa。石墨烯的厚度为1.3纳米。用于粘附和压痕深度测量的法向载荷为10 nN。

图3：(a)附着力，(b)摩擦力与载荷的关系，以及(c)使用FDTS修饰的SiO2探针在不同弹性模量的PDMS基底上的石墨烯压痕深度。(c)的插图显示了FDTS修饰的探针和石墨烯之间的界面示意图，其弹性模量相对较低和较高。(d) 摩擦力和接触面积是压痕深度的函数。用于附着力测量的法向载荷为10 nN。石墨烯的厚度是1.3纳米。

图4. (a) 使用FDTS修改的探针测量的不同厚度的石墨烯的摩擦力与载荷的关系。(b)在施加10nN的载荷下的接触面积。(b)的插图显示了FDTS修饰的探针和石墨烯之间的界面的示意图，有相对较薄和较厚的层。PDMS基底的弹性模量为1.32MPa。

图5. 侧向力是石墨烯扫描距离的函数，厚度为(a)3.0 nm，使用SiO₂探针测量；(b)3.0, (c)5.0, 和(d)6.3 nm，使用FDTS修饰的探针测量。(e) 当针尖在不同厚度的石墨烯上滑动时的滑移能量耗散。(f)SiO₂探针在PDMS基底上的薄石墨烯上滑动和(g)FDTS修改的探针在PDMS基底上的厚石墨烯上滑动的示意图。扫描速率为1Hz，施加的法向载荷为5nN。PDMS的弹性模量为1.32 MPa。

图6. FDTS修饰的探针在PDMS基底上对石墨烯滑动的示意图，显示了摩擦的三个主要部分。(a) FDTS SAM和石墨烯之间的范德华力说明（黄线），不考虑变形的影响。(b) 接触界面的法向变形（橙线），以及法向载荷下接触区域旁边的径向和周向变形（红线）的说明。石墨烯在PDMS基底上的理论和实验摩擦力是（c）PDMS的弹性模量（石墨烯的厚度：1.3nm）和（d）石墨烯的厚度（PDMS的E：1.32MPa）的函数。(e) 石墨烯的理论和实验摩擦值作为负载的函数，弹性模量和厚度分别为1.32 MPa和6.3 nm。

相关研究成果由东华大学Yitian Peng 等人2023年发表在ACS Applied Materials & Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.3c00098)上。原文：Flexible Tuning of Friction on Atomically Thin Graphene。