摘要：西南交通大学王稳课题组基于接触界面的调控，提出一种针对石墨烯摩擦特性进行可逆图案化的新方法。一方面通过力学轻敲实现石墨烯表面摩擦信息的写入，另一方面可通过面内扫描擦除已写入的信息，类似于日常生活中常见的“黑板”。该方法扩展了石墨烯作为信息存储介质的潜力，存储密度高达1600 GB inch-2。
关键词：接触调控，摩擦信息存储介质，石墨烯，力学轻敲
原子薄的二维层状材料，例如石墨烯、六方氮化硼(h-BN)、过渡金属二硫族化合物(TMD)等，具有独特的物理和力学性能，在微纳米技术领域具有广泛的应用潜力。在过去的几年里，摩擦学领域的研究已经揭示了二维材料许多有趣的现象，如摩擦力依赖于厚度、晶体取向、滑动方向和与衬底结合强度等。尽管通过对石墨烯的摩擦学研究揭示了许多独特的性能，但基于其丰富摩擦学性能的应用仍然是一个长期追求的目标。
西南交通大学王稳课题组提出可通过原子力显微镜(AFM)针尖施加面外力学敲击来控制石墨烯的摩擦，如图1所示。首先，由于针尖/石墨烯的相互作用大于石墨烯/基底的相互作用，面外力学敲击可调控石墨烯/基底间的作用强度；其次，由于石墨烯较低的面外弯曲刚度，针尖在表面滑动时容易产生面外变形。这二者的协同作用导致了敲击后石墨烯表面的摩擦力增大。利用上述方法可以将石墨烯薄膜绘制成各种形状，如图2所示，包括尺寸为300 nm×300 nm的矩形，半径为150 nm的圆形，以及数学表达式“1+1”。值得一提的是，利用该方法可写入存储单元的最小特征尺寸大约为10 nm，进一步估算该存储介质的存储密度高达1600 GB inch-2
图1 面外敲击和摩擦增强示意图
此外，该方法的另一个亮点是石墨烯与摩擦介质结合强度变化是完全可逆的，在后续的面内扫描过程中（类似于擦黑板），石墨烯/基底的相互作用得以修复，回复到最初始的状态，写入的信息得以擦除。如图2e,f所示。在第一次扫描中，预先写好的方形图案清晰可见，但随着后续扫描图案逐渐减弱，直到第七次扫描图案完全消失。除了信息的存储与擦除之外，还揭示了该敲击方法的可重复性与稳定性，以及样品厚度、敲击力、等离子体预处理时间和环境条件对信息存储过程的影响。
图2 (a)-(c) 利用面外敲击方法加工出的正方形、圆形和“1+1”数学表达式；(d) 加工的最小特征尺寸大约为10 nm。(e)-(f) 擦除已写入的信息。
综上，该研究介绍了一种利用面外开学轻敲对石墨烯的摩擦特性进行可逆化的新方法。开辟了控制和调节石墨烯摩擦的新途径，并探索了该方法在信息存储领域应用的可能。石墨烯凭借其高存储容量和直接写入与擦除信息的能力，展现出长期稳定的信息存储能力，这种方法在未来信息存储中具有巨大的开发潜力。
论文信息：
Controllable Friction on Graphene via Adjustable Interfacial Contact Quality
Wen Wang*, Yu Zhang, Zhihong Li, Linmao Qian*
Advanced Science
DOI:10.1002/advs.202303013
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