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在微/纳米尺度下,纳米器件具有非常大的表面积/体积比的特征,表面效应增强,宏观的摩擦规律并不能完全解释纳米尺度下的摩擦行为。因此,有必要对微/纳米尺度下的摩擦行为进行深入研究,以便更好地控制或利用它。 本文运用分子动力学的方法建立了纳米尺度的微凸体接触模型,研究了硅-硅接触的摩擦规律。并且,应用原子力显微镜研究了载荷、针尖材料及速度对类金刚石薄膜摩擦性能的影响及“动态超滑”现象。 考虑到纳米器件性能稳定性容易受到环境因素的影响,本文采用分子动力学模拟的方法分别讨论了法向载荷、温度、探针大小对摩擦力的影响。结果表明,在低载荷下平均摩擦力随载荷的增加而近似成指数增加,在高载荷下摩擦力随载荷的增加而近似成线性减小。在同样温度下,小针尖比大针尖所受的摩擦力要小。温度比较低时,大、小针尖所受摩擦力都是随着温度的升高而快速的降低,当温度较高时,大、小针尖所受摩擦力随温度的升高而基本不变,即系统进入了热平衡状态。小针尖比大针尖更早的进入热平衡状态。因此我们可以预测当温度升高到一定值时,针尖所受摩擦力与针尖的大小无关。 考虑到结构润滑可以减小摩擦力,本文进一步研究了硅针尖与硅基底之间的各向异性。研究表明,旋转角度在0°到45°之间,滑动摩擦力随针尖旋转角度的增加而减小,在45°到90°之间,摩擦力随着针尖旋转角度的增加而增加,摩擦力曲线基本上是关于旋转角度45°时的摩擦力为对称的图形。而温度为3K,100K和500K时,对两物体接触界面不相称时摩擦力的影响表明:在同种旋转角度下,滑动摩擦力随着温度的升高而减小,当针尖旋转角度是45°时,这三种温度下的摩擦力大小基本相同,此时,两接触物体表面之间的摩擦力的大小主要取决于两接触界面的相称度,温度对摩擦力的影响可以忽略。 “动态超滑”被认为是微纳尺度下最具可行性的润滑方法。通过分子动力学模拟发现:在法向固有频率下施加法向激振可大幅减小摩擦力,摩擦力随施加振幅的增加而减小。在非共振频率下施加激振对摩擦力的影响不大。在悬臂梁的法向共振频率下,研究了在不同温度、速度、载荷等条件下摩擦力与施加振幅之间的关系,发现当振幅大于等于8nN之后,摩擦力的大小基本不受温度、速度、法向载荷的影响。 最后,本文应用原子力学显微镜研究了载荷、针尖材料及速度对类金刚石薄膜摩擦性能的影响。研究结果表明,在低载荷范围内,针尖和薄膜之间的摩擦力与载荷呈线性关系,但针尖材料对类金刚石薄膜的摩擦系数无影响;在高载荷范围内由于产生了“犁沟现象”而造成了薄膜的摩擦系数增大,探针的扫描速度对薄膜的摩擦力也有很大的影响,随着扫描速度的增加摩擦力也随之增加。本文通过对“动态超滑”现象的实验研究,证实了调制频率只有等于两物体接触共振频率时,摩擦力才随调制振幅的增加而减小。同时,研究了温度、湿度对“动态超滑”现象的影响。高湿度可能会在针尖与样品表面间形成毛细冷凝桥。而升高温度能有效的破坏毛细冷凝桥给针尖带来的阻碍作用,使系统整体摩擦力降低,对未来应用动态调制来减小摩擦力的实际应用方法提出了一条可行性的方案。