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石墨（烯）纳米力学与器件的实验研究

作　者: 刘泽
导　师: 郑泉水
学　校: 清华大学
专　业: 力学
关键词: 微纳器件纳米石墨振荡器起皱力学超润滑摩擦磨损
分类号:
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

微纳器件，是21世纪微纳米科学与技术发展中一个重要课题。越来越多的微纳器件从基础研究走向应用，走进我们的日常生活，并向着小型化、多功能化的方向发展。本文围绕纳米石墨振荡器件，研究了这一新原理器件中的一些基本的力学问题，主要成果可归纳为四个方面：包括三个发现，三个模型和一个应用。氧化硅薄膜和石墨片中的若干力学现象。机械剥离法是目前获得高品质石墨烯的主要方法，我们在纳米石墨片振荡器的制备过程中，首次发现了剥离的纳米石墨片表面奇异的褶皱行为，在连续介质力学的框架下，提出了多层石墨片层间剪切锁死模型。该模型成功解释了这种奇异褶皱现象的稳定存在性，并与多壁碳纳米管中的弯曲起皱行为进行了对比。另外，在氧化硅薄膜/石墨基底体系中，我们还首次观察到一种圆环形力学失稳模态以及电话线形微结构的演化现象。发展了基于纳米石墨片自回复现象的超润滑研究平台。揭示了纳米石墨片自回复现象的机理。首次实现了石墨微米尺度下的超润滑，把对超润滑的研究尺度从纳米尺度扩展到微米尺度。由于纳米石墨片自回复运动在真空环境、大气环境甚至液体环境下都能稳定的、可重复的实现自回复运动，这就为实现超润滑在微机电系统中的应用提供了一种简易可行的途径，也为进一步研究摩擦、磨损等科学问题提供了独特的平台。最后，我们提出了高定向热解石墨的“StoneWall”结构模型，成功解释了实验中观察到的纳米石墨片自回复运动的尺寸效应。首次直接测量石墨层间结合能。通过充分利用纳米石墨片振荡器的结构润滑机制，我们巧妙设计并组装实现了原子级光滑表面的纳米台阶和纳米悬臂梁；发展了一种直接测量相互接触固体表面间粘附能的方法以及计算模型；并成功应用于石墨层间结合能的首次直接测量；该法有望成为测量石墨烯器件与基底相互作用的一般方法。纳米石墨片振荡器的自清洁行为研究。石墨烯由于极高的比表面积使得其表面吸附与污染成为制约石墨烯器件性能的一个关键因素。利用石墨具有原子级光滑表面的特性，成功实现了对高定向热解石墨和双层石墨烯表面的工艺残胶以及扫描电镜表征造成的表面积碳的有效的、机械式的清洁。研究还表明纳米石墨片的自回复行为具有自清洁的效应，对环境不敏感，从而大大降低了器件对环境的依赖性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-28
  1.1 微纳器件  10-20
    1.1.1 微/纳振荡器  11-17
    1.1.2 纳米石墨片振荡器  17-20
  1.2 摩擦与磨损  20-25
  1.3 问题与挑战  25-26
  1.4 本文拟解决的问题  26-28
第2章氧化硅薄膜和石墨片中的若干力学现象  28-53
  2.1 石墨烯制备工艺  28-35
    2.1.1 胶体溶液法  29-32
    2.1.2 CVD法  32-33
    2.1.3 机械剥离法  33-35
  2.2 纳米石墨片的奇异起皱现象  35-40
    2.2.1 机械剥离纳米石墨片中的奇异起皱现象  35-39
    2.2.2 多层石墨层间剪切锁死模型  39-40
  2.3 氧化硅薄膜/石墨基底表面的起泡现象  40-51
    2.3.1 环境湿度驱动氧化硅/石墨表面起泡的演化  42-46
    2.3.2 氧化硅/石墨表面起泡的AFM表征  46-49
    2.3.3 圆形和圆环形薄板屈曲的临界载荷  49-51
  2.4 本章小结  51-53
第3章微米尺度下的石墨超润滑现象  53-80
  3.1 超润滑  53-60
  3.2 石墨片自回复现象与超润滑的联系  60-68
    3.2.1 石墨片自回复过程中的超低摩擦行为  60-66
    3.2.2 石墨片自回复运动的旋转对称性  66-68
  3.3 石墨共度态下层间剪切强度的测量与估计  68-70
  3.4 高定向热解石墨的结构模型  70-79
    3.4.1 氧化硅/石墨片滑动表面的STM研究  70-73
    3.4.2 HOPG表面电子束背散射衍射(EBSD)实验  73-75
    3.4.3 HOPG的“StoneWall”结构模型  75-79
  3.5 本章小结  79-80
第4章石墨层间结合能的直接测量  80-108
  4.1 背景介绍  80-83
  4.2 一种测量固体粘附能的方法  83-86
  4.3 石墨层间结合能的直接测量  86-101
    4.3.1 利用纳米石墨片的自回复运动实现组装  86-93
    4.3.2 纳米压痕法测量氧化硅薄膜的弹性模量  93-94
    4.3.3 石墨层间粘附力模型  94-97
    4.3.4 有限元非线性弹簧模型  97-101
  4.4 表面粗糙度以及残余应力对测量结果的影响  101-107
  4.5 本章小结  107-108
第5章石墨纳米擦子  108-125
  5.1 表面吸附对石墨烯器件性能的影响  108-110
  5.2 纳米擦子  110-117
  5.3 石墨烯表面吸附物的机械式清洁  117-124
    5.3.1 石墨烯表面工艺残胶的机械式清洁  117-120
    5.3.2 石墨烯表面积碳的机械式清洁  120-124
  5.4 本章小结  124-125
第6章全文总结  125-127
  6.1 研究总结  125-126
  6.2 需进一步开展的工作  126-127
参考文献  127-136
致谢  136-138
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  138-139

石墨（烯）纳米力学与器件的实验研究

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