摩擦学是研究一对相对运动及有相对运动趋势表面之间的摩擦、磨损、润滑及三者之间相互影响，相互联系的一门重要的理论和应用技术科学。摩擦现象在自然界以及科学实验中随处可见，直接影响着人类生产生活的方方面面。随着人们对器件微型化的不断追逐，微/纳机电系统(MEMS/NEMS)迅速发展起来。以石墨烯、金刚石薄膜为代表的低维碳基薄膜材料具有独特的几何、电子及机械性质，在MEMS/NEMS中具有广阔的应用前景。在MEMS/NEMS中，随着比表面积的增加，诸如吸附，粘滞，摩擦等表面作用变得重要起来，并直接决定着器件的功能表现及其寿命。但是，人们长期以来接触的多是宏观摩擦现象，对纳米尺度下摩擦机制的认识非常有限，目前对于纳米摩擦问题的理解仍处于初期阶段。基于此，本文以石墨烯、金刚石薄膜这两类重要的碳基材料为代表，采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究碳基薄膜的纳米摩擦性质及其调制，为碳基薄膜材料在MEMS/NEMS中的应用和不断发展提供必要的理论依据。本文的研究内容可以分为三个部分，其主要内容及研究结果如下:　　 1.研究界面环境对双层石墨烯层间纳米摩擦性质的影响。首先研究了双层石墨烯层间纳米摩擦性质。研究发现:双层石墨烯层间纳米摩擦表现出各向同性的性质;摩擦因数随正压力改变而变化，不再遵循宏观摩擦定律-Amonton法则;同时发现非公度性可以有效降低系统的摩擦因数。在此基础上，进一步研究了界面环境对石墨烯层间纳米摩擦性质的影响:　　 (a)以单边氢钝化的石墨烯为模型，研究了环境引起的电子结构的变化对石墨烯系统纳米摩擦性质的影响。发现钝化氢原子可以转移石墨烯中的π电子，从而减弱石墨烯层间范德瓦耳斯作用，大大降低了石墨烯层间纳米摩擦因数。该研究结果提供了一幅电子结构影响纳米摩擦性质的清晰图像，对于理解电子结构对于摩擦的影响具有重要意义。　　 (b)实验上发现芘基分子能够从石墨溶液中大量剥离出高质量的石墨烯。结合实验，本文研究了芘基分子上的不同侧链对芘基分子与石墨烯衬底之间吸附及摩擦性质的影响。研究发现:有侧链的芘基分子与石墨烯之间的吸附能大于石墨层间吸附能，前一系统的摩擦因数小于后者;且芘基分子与石墨烯之间的摩擦因数随联接基团的不同而变化。该研究结果成功解释了实验，同时在理论上预测了其它芘基分子也能制备出高质量的石墨烯。　　 2.研究金刚石薄膜的纳米摩擦性质及其调制。首先以氢、氟钝化的金刚石薄膜为模型，研究了界面环境对金刚石薄膜摩擦性质的影响，研究发现:相对于氢钝化，氟钝化金刚石薄膜的物理和化学性质更加稳定;两层氟钝化的金刚石薄膜间具有更大的平衡吸附距离以及更强的排斥作用;层间摩擦性质的对比研究表明:氢钝化的金刚石薄膜其层间摩擦因数为氟钝化金刚石薄膜的两倍。计算发现两种钝化薄膜摩擦性质的差异主要归因于钝化原子电子结构的不同。该结果完美解释了实验现象，同时对于理解环境对金刚石薄膜摩擦性质的影响具有重要意义。基于上述结果，迸一步研究了掺杂效应对金刚石薄膜层间相互作用及摩擦性质的调制。结果显示:对于H-C(111)的金刚石薄膜，n-type/n-type掺杂能够降低金刚石薄膜间的摩擦因数;相反地，n-typep-type掺杂则增大了金刚石薄膜间的摩擦因数。本文从电子结构的角度解释了掺杂对金刚石薄膜摩擦性质的调制。即:掺杂原子诱导的金刚石薄膜电子结构的改变是摩擦性质变化的根本原因。上述研究结果表明可以通过掺杂调制金刚石薄膜系统的摩擦性质。为实验上理解掺杂对摩擦的影响具有一定的帮助。　　 3.研究外加电场对双层石墨烯层间纳米摩擦性质的调制作用。研究发现不同堆栈下双层石墨烯的电子结构对外加电场的响应不同，导致不同堆栈下的相互作用能对外加电场的响应也不相同。通过外加电场，本文实现了双层石墨烯摩擦因数在-30％-30％范围内的调制。该方法具有既不破坏石墨烯的结构，又能实现对石墨烯层间纳米摩擦性质精确调制的优点，在纳米科技中具有潜在应用价值。