自组装纳米颗粒织构化表面的制备及其摩擦学性能

自组装纳米颗粒织构化表面的制备及其摩擦学性能

随着微纳机械技术（ss-nims）的发展，人们使用各种高科技方法开发出了几种微纳机械装置。由于结构尺寸的微型化，组件的比面增加，表面影响增加，因此有必要解决微机械电气系统应用和开发中存在的主要问题，如微摩擦、磨损和粘附等。确保其使用性，提高使用寿命。1实验部分1.1granm半导体有限责任公司N型单面抛光的单晶硅(100)(北京GRINM半导体有限责任公司);3-氨基丙基三甲氧基硅烷(APS,C采用改进的Frens1.2黏着试验和纳米尺度试验采用Hitachi-H600透射电子显微镜(TEM)表征所合成的Au纳米颗粒的形貌和大小.采用日本电子株式会社公司的JSM-6701F冷场发射型扫描电镜(FESEM)和美国VEECO公司NanoscopeIIIaMultimode原子力显微镜(AFM)观察织构化表面的形貌(Si针尖,扫描频率1Hz,Tapping模式).采用AFM进行黏着试验和纳米尺度的摩擦试验,所用的针尖为背面镀铝的三角悬梁Si3N4探针,悬臂力常数为0.3N/m,针尖曲率半径为10nm,偏转灵敏度(Deflectionsensitivity)43.69nm/V,试验长度1μm,黏着试验次数32次/1μm,扫描频率1Hz,工作环境温度20℃,湿度为25%.黏着试验如图1(a)所示,探针从A点出发向样品靠近,当到达B点时,由于试样的吸引力使悬臂向下弯曲而接触到试样表面,在C点时悬臂向下弯曲消失,转而向上弯曲,然后继续缩进至D点再返回,而当针尖返回到达C点时,由于黏着力的作用,针尖和样品并不会分离,针尖继续撤回,悬臂开始向下弯曲,当针尖撤回到E点时,悬臂向下弯曲达到最大值,此值即为黏着力大小,针尖和样品表面随即分离,针尖继续撤回,最后回到A点.纳米摩擦试验载荷为7～60nN,试验长度1μm,扫描频率1Hz(扫描速率2μm/s),每次试验重复9次,取其平均值,输出的电压信号直接用来代替摩擦力的相对大小,摩擦力-载荷曲线是通过在一定载荷下的摩擦回路(Frictionalloop)来得到[图1(b)],摩擦力F2结果与讨论2.1织构化表面的形貌图2(a)示出了利用改进的Frens法制备的Au纳米颗粒的TEM照片,可以看出Au纳米颗粒呈均匀分散的球形状,粒径为18±2nm.图2(b)～(d)分别示出了组装时间分别为0.5、1.5和3.0h的织构化表面形貌的SEM照片.可以看出:通过控制Au纳米颗粒不同的组装时间,可在单晶硅表面成功组装织构密度可控、分布均匀的Au纳米颗粒,且随着组装时间的延长,颗粒堆积密度增大.图3(a)(d)分别示出了APS-SAMs和组装Au纳米颗粒后的AFM照片(1μm×1μm),经计算得出AFM照片中Au纳米颗粒的粒径为32±4nm,大于TEM照片中所测得的金纳米颗粒的粒径(18±2nm)[见图2(a)],这主要是由于AFM针尖在扫描过程中的“盘旋效应”所致2.2aps-sms-aps-si唐/aps-sim表面的黏着行为图4示出了不同组装时间的NPTS的均方根表面粗糙度(rms)和表面黏着力的变化关系.结果表明:织构化表面的rms随着SAMs上颗粒堆积密度的增加呈不断减小的趋势[图4(a)].单晶硅表面的黏着力约为7.63nN,APS-SAMs表面黏着力为10.92nN.在APS-SAMs表面组装Au纳米颗粒后,黏着力减小,且随金纳米颗粒堆积密度的增加而不断降低[图4(b)].研究发现,当组装时间为0.5h时,由于APS-SAMs表面Au纳米颗粒的堆积密度较低,AFM针尖主要和APS-SAMs基底相接触,黏着力仍然较大为9.73nN,随着组装时间的延长,接触形式逐渐由“针尖/基底”转变为“针尖/金纳米颗粒”的接触,所以黏着力逐渐降低.当金纳米颗粒组装时间为3.0h时,NPTS的黏着力仅为1.77nN,相比于单晶硅表面(黏着力为7.63nN),降低了77%.黏着力的变化除了受表面性质影响之外,还与探针和表面的接触状态有关.APS-SAMs表面含有大量的-NH2.3根据颗粒间隙变化的方法利用AFM,研究了不同织构密度表面的摩擦力随载荷和滑动速率的变化关系,如图5所示.与表面黏着力不同,探针与织构化表面的摩擦力并不是随Au纳米颗粒堆积密度的增加而降低,而是先在一定的Au纳米颗粒堆积密度的表面出现峰值,之后随堆积密度的增加而降低[图5(a)].摩擦力的大小同样也受到表面性质和有效接触面积(表面形貌)的影响.APS-SAMs表面的黏着力较大,对摩擦力的贡献份额也就较大,而组装Au纳米颗粒的织构化表面,黏着力较小,相应的对摩擦力的贡献份额较小;探针和织构化表面之间的有效接触面积和他们的接触状态有关,当颗粒间隙较大(大于探针曲率半径)时,纳米尺度的探针(单峰)接触处于连续接触力学模式,纳米尺度单峰接触的纳米摩擦主要来自“探针/APS-SAMs基底”的摩擦和探针划过整个纳米颗粒时的“摩擦增量”,所以在APS-SAMs表面组装的金纳米颗粒较少时,其摩擦力反而增加,并且随着Au纳米颗粒堆积密度的增加,“摩擦增量”越大,致使摩擦力随之增大;当颗粒间隙与探针曲率半径接近时,单峰接触的连续接触力学模式不再适用,此时探针“陷入”颗粒间隙之间,使有效接触面积大大增加,此时“摩擦增量”最大,摩擦力达到峰值;而当颗粒间隙进一步减小,接触模式则主要是“探针/纳米颗粒”的多峰接触,有效接触面积减小,摩擦主要来自探针和纳米颗粒之间的摩擦,摩擦力随之降低.其中,当载荷为7nN时,相比于单晶硅(100)面的摩擦力(相对大小为0.185V),组装时间3.0h的织构化表面的摩擦力(相对大小0.108V)降低了42%.图5(b)示出了不同织构密度表面的摩擦力随载荷的变化关系曲线,图中摩擦力-载荷曲线的斜率即为相对摩擦系数,其大小也与实际的摩擦系数成正比关系.由图5(b)可以看出,薄膜的摩擦力和载荷之间并非呈线性关系.织构化表面的摩擦系数随着载荷的增加呈现减小趋势,这是由于随着载荷的增加,黏着力对摩擦力的贡献份额减小,摩擦系数降低YihanLiu等图6示出了利用UMT摩擦磨损试验机在小载荷下测得的织构化表面的摩擦系数(COF)随组装时间、载荷和滑动速率的变化关系.可以看出:在单晶硅(100)面组装1层Au纳米颗粒后,能有效降低试样的摩擦系数,摩擦系数由APS-SAMs的0.65降低到0.10左右[图6(a),载荷为600mN,滑动频率为2Hz],并且随着纳米颗粒组装时间的延长,薄膜的耐磨寿命增加,但摩擦系数相近.这主要是因为:当摩擦对偶球(3mm)远远大于Au纳米颗粒(粒径18±2nm)时,纳米颗粒织构化的作用表现不太明显,AuNPTS表现为一层单分子自组装膜,随着组装时间的增加,织构化表面的纳米颗粒的堆积密度增加,单分子层的致密度增大,薄膜的耐磨寿命随之增加.与此同时,随着试验载荷的降低,织构化表面的耐磨时间也呈增加趋势[图6(b),Au纳米颗粒组装时间1.5h,滑动频率2Hz];随着滑动速率的减小,织构化表面的耐磨寿命也逐渐延长[图6(c),Au纳米颗粒组装时间1.5h,试验载荷600mN],这与薄膜的宏观摩擦学行为相一致.3金纳米颗粒织构化表面的黏着力和作用力a.利用自组装技术,通过控制纳米颗粒的组装沉积时间,在单晶硅表面成功制备了织构密度可控、织构大小一致、分布均匀且结构稳定的Au纳米颗粒织构化表面,为进一步研究微/纳尺度织构化表面的黏着、摩擦与磨损提供了必要条件.b.金纳米颗粒织构化表面的黏着力随着纳米颗粒堆积密度的增加而不断降低,黏着力的变化符合JKR或DMT理论中黏着力和有效接触面积的关系,其中组装时间3.0h的织构化表面的黏着力较单晶硅表面降低了77%.c.金纳米颗粒织构化表面的摩擦力与AFM探针和纳米颗粒的曲率半径以及点阵间隙有关,摩擦力在一定的金纳米颗粒堆积密度的表面出现峰值,之后随颗粒堆积密度的增加而降低,与单晶硅(100)面相比,组装时间3.0h的NPTS的