柔性微尺度摩擦力的調(diào)諧對(duì)于可穿戴電子設(shè)備、觸覺(jué)傳感器和柔性齒輪的可靠性是可取的。在此，使用直徑為5微米的1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷（FDTS）自組裝單層（SAMs）修飾的微球探針，在微尺度上獲得了原子薄石墨烯在柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）基體上的摩擦力調(diào)諧。摩擦力可以通過(guò)PDMS的彈性模量和石墨烯的厚度的差異進(jìn)行大尺度的調(diào)整。FDTS SAMs修飾的探針的疏水特性通過(guò)減少界面附著力和防止毛細(xì)管相互作用的影響而減少了摩擦力；因此，由于壓痕深度減少，從而減少了界面接觸面積，摩擦力隨著PDMS基體彈性模量的增加而減少；同時(shí)，隨著石墨烯厚度的增加，平面外剛度的增強(qiáng)有效地降低了界面接觸質(zhì)量。通過(guò)理論計(jì)算，從接觸區(qū)周圍的法向和側(cè)向變形產(chǎn)生的摩擦力方面，進(jìn)一步驗(yàn)證了石墨烯上摩擦力的靈活調(diào)整。這項(xiàng)工作對(duì)于促進(jìn)柔性微器件的設(shè)計(jì)和可靠性是有意義的。
圖1. (a) 彈性PDMS基底上的石墨烯的典型AFM形貌。插圖：折疊步驟的高度曲線。(b) 不同厚度的石墨烯的拉曼光譜。(c) 直徑為5 μm的SiO
2微球探針的SEM圖像。插圖：微球頂部中心的AFM圖像。(d) FDTS修飾的探針與PDMS基底上的石墨烯滑動(dòng)的示意圖。插圖顯示了FDTS SAMs的化學(xué)結(jié)構(gòu)，不同厚度的石墨烯的圖示，以及具有可變彈性模量的PDMS的光學(xué)圖像。
圖2. (a) 使用SiO
2微球探針和FDTS修飾的探針在PDMS基底上對(duì)石墨烯的附著力和(b)摩擦力與負(fù)載的關(guān)系。(c) 使用SiO
2探針和FDTS修飾的探針在石墨烯上測(cè)量的力分離軌跡曲線。插圖：（I、II、III）納米壓痕實(shí)驗(yàn)過(guò)程和（IV）壓痕深度的示意圖。(d) 使用SiO
2探針和FDTS修飾的SiO
2探針測(cè)量壓痕深度。PDMS基底的彈性模量為0.12MPa。石墨烯的厚度為1.3納米。用于粘附和壓痕深度測(cè)量的法向載荷為10 nN。
圖3：(a)附著力，(b)摩擦力與載荷的關(guān)系，以及(c)使用FDTS修飾的SiO2探針在不同彈性模量的PDMS基底上的石墨烯壓痕深度。(c)的插圖顯示了FDTS修飾的探針和石墨烯之間的界面示意圖，其彈性模量相對(duì)較低和較高。(d) 摩擦力和接觸面積是壓痕深度的函數(shù)。用于附著力測(cè)量的法向載荷為10 nN。石墨烯的厚度是1.3納米。
圖4. (a) 使用FDTS修改的探針測(cè)量的不同厚度的石墨烯的摩擦力與載荷的關(guān)系。(b)在施加10nN的載荷下的接觸面積。(b)的插圖顯示了FDTS修飾的探針和石墨烯之間的界面的示意圖，有相對(duì)較薄和較厚的層。PDMS基底的彈性模量為1.32MPa。
圖5. 側(cè)向力是石墨烯掃描距離的函數(shù)，厚度為(a)3.0 nm，使用SiO
2探針測(cè)量；(b)3.0, (c)5.0, 和(d)6.3 nm，使用FDTS修飾的探針測(cè)量。(e) 當(dāng)針尖在不同厚度的石墨烯上滑動(dòng)時(shí)的滑移能量耗散。(f)SiO
2探針在PDMS基底上的薄石墨烯上滑動(dòng)和(g)FDTS修改的探針在PDMS基底上的厚石墨烯上滑動(dòng)的示意圖。掃描速率為1Hz，施加的法向載荷為5nN。PDMS的彈性模量為1.32 MPa。
圖6. FDTS修飾的探針在PDMS基底上對(duì)石墨烯滑動(dòng)的示意圖，顯示了摩擦的三個(gè)主要部分。(a) FDTS SAM和石墨烯之間的范德華力說(shuō)明（黃線），不考慮變形的影響。(b) 接觸界面的法向變形（橙線），以及法向載荷下接觸區(qū)域旁邊的徑向和周向變形（紅線）的說(shuō)明。石墨烯在PDMS基底上的理論和實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ亮κ牵╟）PDMS的彈性模量（石墨烯的厚度：1.3nm）和（d）石墨烯的厚度（PDMS的E：1.32MPa）的函數(shù)。(e) 石墨烯的理論和實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ林底鳛樨?fù)載的函數(shù)，彈性模量和厚度分別為1.32 MPa和6.3 nm。
相關(guān)研究成果由東華大學(xué)Yitian Peng 等人2023年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.3c00098)上。原文：Flexible Tuning of Friction on Atomically Thin Graphene。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
