基于原子力显微镜技术的二硫化钼纳米摩擦特性研究

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摩擦磨损问题是制约微纳器件寿命和可靠性的重要因素之一,控制以及减小摩擦带来的损耗是人们长期以来追求的目标。二硫化钼作为一种二维半导体材料,具有良好的以及可调控的机械和电学性能,不仅可以作为构建高性能电子和光电子器件的重要材料,而且也可以作为优异的固体润滑剂用于运动系统中。所以研究并且调控二硫化钼在纳米尺度下的摩擦行为,对避免摩擦磨损和降低系统能耗具有重要意义,同时有助于指导二硫化钼在器件中的应用。本文通过基于原子力显微镜的摩擦力显微镜技术,深入研究了应变工程以及电场效应在二硫化钼纳米摩擦特性中的作用和机制。主要研究内容如下:(1)界面液滴对二硫化钼纳米摩擦特性的影响。应变工程是一种调节二维材料摩擦特性的有效方法。与此同时,形成于二维材料界面间的液滴能够增强二维材料的面外形变能力,使其产生自维持的面内应力,已被广泛应用于应变工程。在此,我们在二硫化钼与基底之间引入了界面液滴,从而使二硫化钼通过面外形变产生面内应力,来调控二硫化钼的摩擦特性。通过进一步分析探针在二硫化钼界面液滴表面滑动时的原子尺度“粘-滑”行为,从能量耗散以及探针运动状态变化的角度解释了界面液滴对二硫化钼进行摩擦特性调控的机制。(2)二硫化钼在外加电压下的摩擦特性。通过对比研究二硫化钼在未加电压、施加正电压和施加负电压三种情况下的摩擦特性,发现二硫化钼的摩擦特性与电压的大小和方向相关。首先,二硫化钼的摩擦力随着正负电压的增大而增大,并且电压值相同时负电压下的摩擦力始终大于正电压下的摩擦力,两者之间的差值也随着电压的增大而增大。这是由于一方面针尖和二硫化钼之间存在固有的电势差,导致正电压下的静电粘附要低于负电压下的静电粘附,并且固有电势差的影响会随着电压值的增加而被不断放大。另一方面,负电压能够引起二硫化钼能带结构的改变,导致高负电压下二硫化钼的摩擦力显著增大。通过探究二硫化钼在应变工程和电场效应下的纳米摩擦特性,我们发现二硫化钼的摩擦特性能够得到有效的调控。首先,引入界面液滴可以有效的调节二硫化钼的面内应变,从而实现摩擦特性的调控,以此阐明了界面液滴作为一种简单的应变工程策略来调节二维材料摩擦特性的可行性。此外,二硫化钼的摩擦特性还与外加电压的大小和方向相关,通过进一步探究正负电压下二硫化钼摩擦特性差异的原因,为二硫化钼在电子器件领域中的应用提供了指导。
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