机械剥离折叠石墨烯粘附与纳米摩擦性质

本文用原子力显微镜研究了空气和氮气两种不同气氛环境下的机械剥离石墨烯粘附力,发现氮气环境下的粘附力更小,且石墨烯边缘的粘附力比内部区域大.在氮气环境下探究了折叠石墨烯粘附力与层数的关系及其摩擦性能,结果表明粘附力与折叠石墨烯层数无明显关系,折叠石墨烯各区域的摩擦性能都远超二氧化硅基底,且单层、单层上折叠、双层以及双层上折叠区域的摩擦系数依次降低,分别为0.049,0.031,0.023和0.021,摩擦力也依次降低,折叠处由于层与层之间的结合力弱于相同层数的石墨烯,摩擦性能有所降低,但未发现粘附力与摩擦力之间的明显关系.在采用尖针和球针测量粘附力时,测量历史不会对后续粘附力产生明显影响.对空气环境下出现的新鲜折叠石墨烯的研究表明新鲜折叠石墨烯的折叠区域摩擦力较未折叠区域显著增大.     

基于原子力显微镜的石墨烯表面图案化摩擦调控

摩擦可调控的石墨烯作为固体润滑剂在微/纳机电系统中具有巨大的应用潜力.本文采用导电原子力显微镜对附着在Au/SiO₂/Si基底上的石墨烯进行氧化刻蚀,比较了在不同刻蚀参数下石墨烯纳米图案的摩擦性能,并且通过开尔文力显微镜分析了不同刻蚀参数对纳米图案氧化程度的影响.结果表明:施加负偏压可以在石墨烯表面制造出稳定可调的氧化点、线等纳米级图案,氧化点的直径和氧化线的宽度都随着电压的增大而增大;增加石墨烯的厚度可以提高纳米图案的连续性和均匀性.摩擦力随着针尖电压的增大而增大,这是由于电压增大了弯液面力和静电力.利用这些加工的纳米级图案可以精确地调控石墨烯表面的摩擦大小.通过导电原子力显微镜刻蚀技术实现石墨烯表面纳米摩擦特性的可控,为石墨烯在微/纳米机电系统中的摩擦行为研究和具有图案表面的纳米器件的制备提供了新的思路和方法.     

不同基底石墨烯涂层的层间滑移减磨性能研究

石墨烯薄膜作为一种二维材料,是提高微/纳机电系统(MEMS/NEMS)摩擦力学性能的优异润滑剂.为了探究基底材料和石墨烯层数对其减磨性能的影响,本文通过在不同基底制备了不同层数的石墨烯涂层,利用原子力显微镜(AFM)实验和分子动力学(MD)仿真结合的方法,研究了石墨烯层数对减磨效应的影响.并且通过建立不同层数石墨烯涂层的摩擦性能分析模型,探究出石墨烯层间滑移是产生减磨的主要因素.结果表明:在不同载荷下,石墨烯涂层对硅基底和铜基底均有优异的减磨效果,摩擦力随着石墨烯层数的增加逐渐降低,当石墨烯层数大于10层时,达到最优99.3%的减磨效果.通过仿真分析发现,随着层数增加,石墨烯与基底的干摩擦转变为石墨烯的层间摩擦,并产生层间剪切滑移,石墨烯层间滑移是导致多层石墨烯优异减磨性能的主要因素.     

石墨烯厚度与其力-距离关系的实验和模拟研究

通过原子力显微镜高度曲线确定高度分别为0.57 nm、0.90 nm和1.30 nm三个石墨烯片,随后进行多次力-距离曲线测量.结果发现:三个石墨烯片吸附力数值的平均值分别为0.30 nN、0.32 nN和0.34 nN,脱附力的平均值分别为5.33 nN、5.66 nN和7.24 nN.实验显示吸、脱附力随石墨烯厚度...     

摩擦——一个古老而时髦的话题

介绍了在原子力显微镜基础上发展起来的摩擦力显微镜的原理,应用摩擦力显微可以测量原子级的摩擦力,从而为从微观上理解摩擦这一最为普遍的宏观物理象奠定了基础。同时,不评述了近十年严这一分为二或理论和实验两方面的研究进展。     

硅晶体表面石墨烯褶皱形貌的分子动力学模拟研究

本文利用分子动力学的方法和模拟退火技术从原子尺度分析研究了Si (100), Si (111)和Si (211)表面单原子层石墨烯的褶皱形貌及其演化特点. 研究表明, 分别置于Si晶体的三种不同原子表面的石墨烯都展现出原子尺度的褶皱形貌. 石墨烯与Si晶体表面原子的晶格失配是引起石墨烯褶皱的主要原因. 研究发现, Si晶体表面石墨烯的褶皱形貌强烈的依赖于退火温度. 石墨烯的褶皱形貌还将直接影响其在Si晶体表面的吸附稳定性. 这些研究结果有助于人们认识基于Si晶体衬底的石墨烯的结构形貌及其稳定性, 为石墨烯的进一步应用提供理论参考.     

硅基材料界面石墨烯片层运动行为及其摩擦特性

应用从头算分子动力学方法,模拟了在挤压剪切作用下石墨烯片层作为润滑剂添加于硅基材料界面的摩擦过程,研究了水分子和石墨烯表面氧化对石墨烯片层运动行为的影响.干燥环境下,压强较大时单纯石墨烯片层才会出现滑移,而氧化石墨烯片层在低压强下就开始滑移.潮湿环境下,界面结构影响水分子的整体分布和运动状态,而水分子的运动状态又影响氧化石墨烯片层的运动行为.由于二氧化硅表面羟基取向角较大,使得水分子在挤压剪切作用下偶极矩角变大,从而导致其与氧化石墨烯片层之间的结合强度削弱,二者之间出现相对滑移.石墨烯片层运动行为的改变引起了剪切面的转变.通过对石墨烯片层沿滑移方向上的速度波动幅度的分析,发现其与摩擦系数之间存在正相关性.     

化学气相沉积法制备的石墨烯晶畴的氢气刻蚀

利用化学气相沉积法在抛光铜衬底上制备出六角形石墨烯晶畴, 并且在高温条件下对石墨烯晶畴进行氢气刻蚀, 利用光学显微镜和扫描电子显微镜对石墨烯晶畴进行观测, 发现高温条件下石墨烯晶畴表面能够被氢气刻蚀出网络状和线状结构的刻蚀条纹. 通过电子背散射衍射测试证明了刻蚀条纹的形态、密度与铜衬底的晶向有密切关系. 通过对比实验证明了石墨烯表面上的刻蚀条纹是由于石墨烯和铜衬底的热膨胀系数不同, 在降温过程中, 石墨烯表面形成了褶皱, 褶皱在高温氢气气氛下发生氢化反应形成的. 对转移到二氧化硅衬底的石墨烯晶畴进行原子力显微镜测试, 测试结果表明刻蚀条纹的形貌、密度与石墨烯表面褶皱的形貌、密度十分相似. 进一步证明了刻蚀条纹是由于褶皱结构被氢气刻蚀引起的. 实验结果表明, 即使在六角形石墨烯晶畴表面也存在褶皱和点缺陷. 本文提供了一种便捷的方法来观察铜衬底上石墨烯褶皱的分布与形态; 同时, 为进一步提高化学气相沉积法制备石墨烯的质量提供了更多参考.     

氧化石墨烯褶皱行为与结构的分子模拟研究

应用反应力场分子动力学方法,模拟了单层氧化石墨烯在径向压缩作用下的褶皱过程,研究了含氧基团(羟基、环氧基)对氧化石墨烯褶皱行为以及褶皱球结构稳定性的影响.当石墨烯仅含羟基时,该类氧化石墨烯呈现出"推进式"的褶皱行为,而当石墨烯仅含环氧基时,该类氧化石墨烯则呈现出片层与片层"贴合式"的褶皱行为.褶皱行为的不同决定了氧化石墨烯最终褶皱球结构的差异.通过分析原子级势能增量分布与C—C成、断键位置之间的关系,发现氧化石墨烯上C—C成、断键主要发生在变形较为严重的区域,且相较于羟基,环氧基对与其连接的C—C键具有更强的削弱作用.为了研究氧化石墨烯褶皱球的结构稳定性,模拟了其在无约束条件下的释放过程.发现氧化石墨烯褶皱球的结构稳定性取决于其中C—C成、断键数量,即C—C成、断键的数量越多,结构越稳定,且在同一氧化率下,褶皱球的结构稳定性随环氧基比例的增大而提高.本研究表明,通过改变氧化石墨烯片层上含氧基团的相对比例,可实现对其褶皱球稳定性的控制.     

功能化扶手椅型石墨烯纳米带异质结的磁器件特性

石墨烯在未来纳米电子器件领域具有广泛的应用前景, 但是基于扶手椅型石墨烯纳米带(AGNR)的磁输运性质的研究还比较少. 本文理论上提出AGNR边缘桥接过渡金属Mn原子, 再用双F 原子(或双H原子)饱和形成特殊化学修饰的纳米带(AGNR-Mn-F₂或AGNR-Mn-H₂), 并运用基于第一性原理和非平衡态格林函数相结合的方法对其磁输运性质进行理论计算. 结果表明: 这两种纳米带所构成的异质结(F₂-AGNR-Mn-H₂)具有优良的磁器件特性, 即在很宽的偏压范围内, 能实现100%的自旋极化, 且在P(在左右电极垂直加上相同方向的磁场)和AP构型(在左右电极垂直加上相反方向的磁场)时, 分别具有单自旋和双自旋过滤效应; 同时发现, 这种异质结也具有双自旋二极管效应, 它的最大整流比可达到10⁸. 此外, 改变开关磁场的方向, 即从一种磁构型变换为另一种磁构型时, 能产生明显的自旋阀效应, 其巨磁阻高达10⁸%. 这意味着这种特殊的异质结能同时实现优良的自旋过滤、双自旋二极管及巨磁阻效应, 这对于发展自旋磁器件有重要意义.     

Friction anisotropy dependence on lattice orientation of graphene

The observation of friction anisotropy on graphene by friction measurement at atomic scale has been reported in this paper.Atomic-scale friction measurement revealed friction anisotropy with a periodicity of 60°,which is consistent with the hexagonal periodicity of the graphene.Both experiments and theory show that the value of the friction force is related to the graphene lattice orientation,and the friction force along armchair orientation is also larger than the one along zigzag orientation.These results will play a critical role in the use of graphene to manufacture nanoscale devices.     

Fabrication of suspended graphene devices and their electronic properties

Suspended graphene devices are successfully fabricated by using a novel PMMA/MMA/PMMA tri-layer resist technique. The gap between graphene and dielectric substrate can be easily controlled by the thickness of the bottom PMMA layer, and no wet-etching with hazardous hydrofluoric acid is involved in our fabrication process. Electrical characterizations on suspended graphene devices are performed in vacuum when in-situ current annealing directly leads to a significant improvement on transport properties of graphene, i.e., the increase of carrier mobility with the reduction of width of Dirac peak. Our results make a new opportunity to study intrinsic properties of graphene.     

High‐temperature stability of suspended single‐layer graphene

We report in situ Joule heating on suspended single‐layer graphene in a transmission electron microscope (TEM). Thermally‐driven degradation of pre‐deposited nanoparticles on the membrane is monitored and used for local temperature estimation. By extrapolating the Joule heating power and temperature relation, we find that the suspended single‐layer graphene has exceptional thermal stability up to at least 2600 K. (© 2010 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

测量和减小纳米凹凸面摩擦力的分子新技术

报道了美国用原子力显微镜可直接检测超微型设备内发动机转子与外表表面上凸点之间摩擦力的大小的研究成果，介绍了降低了时机的摩擦力的方法。     

Vibrational properties of graphene and graphene layers

The phonon dispersions of graphene and graphene layers are theoretically investigated within fifth‐nearest‐neighbor force‐constant approach. Based on their symmetry groups, the number of Raman‐ and infrared‐active modes at the Γ point is given. Interatomic force constants are recalculated by fitting them to experimental phonon energy dispersion curves. Wavenumbers of optically active modes are presented as a function of number of layers (n). Our calculated results reproduce well the experimental data of G peak for graphene (1587 cm⁻¹) and graphite (1581.6 cm⁻¹) and clearly give the relation that ω_G = 1581.6 + 11/(1 + n^1.6). Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

脂质体结构特性的原子力显微镜研究

用原子力显微镜(AFM)研究了1,2二油酸甘油3磷酸1甘油(DOPG)脂质体胞囊的形态和脂双层膜结构.报道了AFM探针与吸附在氧化硅膜上脂质体的相互作用结果.实验结果表明,在液晶态的DOPG中,AFM图像是一些球形或椭球形颗粒.这些球形或椭球形颗粒与液晶态的DOPG脂质体的结构特性有关.当AFM的探针与脂质体表面相互作用力超过某临界值时,脂质体胞囊破裂,变成脂双层结构.从图上可以看到,第二层的DOPG膜吸附在第一层上,膜的厚度约为5nm. 关键词： 原子力显微镜 脂质体 纳米结构     

纳米隧道结的制备和特性研究

结合对向靶直流磁控溅射技术、微电子光刻方法和原子力显微镜阳极氧化加工方法制备了实用的纳米钛-钛氧化线-钛隧道结，钛膜的厚度为3.02nm.钛氧化线的宽度为60.5nm，在室温下此隧道结的I-V曲线表现出明显的库仑阻塞效应. 关键词： 原子力显微镜阳极氧化 钛氧化线 隧道结 库仑阻塞效应     

Tunable thermoelectric properties in bended graphene nanoribbons

The ballistic thermoelectric properties in bended graphene nanoribbons(GNRs) are systematically investigated by using atomistic simulation of electron and phonon transport. We find that the electron resonant tunneling effect occurs in the metallic–semiconducting linked ZZ-GNRs(the bended GNRs with zigzag edge leads). The electron-wave quantum interference effect occurs in the metallic–metallic linked AA-GNRs(the bended GNRs with armchair edge leads).These different physical mechanisms lead to the large Seebeck coefficient S and high electron conductance in bended ZZGNRs/AA-GNRs. Combined with the reduced lattice thermal conduction, the significant enhancement of the figure of merit ZT is predicted. Moreover, we find that the ZTmax(the maximum peak of ZT) is sensitive to the structural parameters. It can be conveniently tuned by changing the interbend length of bended GNRs. The magnitude of ZT ranges from the 0.15 to 0.72. Geometry-controlled ballistic thermoelectric effect offers an effective way to design thermoelectric devices such as thermocouples based on graphene.