Onderzoek naar wrijvingsgedrag op nanoschaal van grafeen op gouden substraten met behulp van moleculaire dynamiek

Resultaten en discussies

Figuur 2 toont de wrijvingskracht als functie van de schuifafstand bij verschillende normale belastingen. In dit artikel is de glijdende afstand die van het virtuele atoom. De wrijvingskracht wordt gemeten door de vervorming van de veer zoals in een AFM-experiment. De grafeenvlok heeft een vierkante vorm met een grootte van 5,8 nm bestaande uit 1344 atomen. Het is duidelijk dat de wrijvingskrachten voortdurend toenemen, gevolgd door scherpe druppels, wat typerend is voor stick-slip-bewegingen. De abrupte dalingen in de wrijvingskracht leiden tot energiedissipatie en impliceren het optreden van overgangen tussen meerdere metastabiele toestanden met lokale potentiële energieminima [39]. Het is redelijk dat de wrijvingskracht toeneemt met de belasting L. Om het grootte-effect te onderzoeken, nog twee vierkante vlokken met een grootte van 2,0 nm (N = 160 atomen) en 10,0 nm (N = 3936 atomen) worden overgenomen. De variatie van wrijvingskracht en gemiddelde wrijvingskracht voor verschillende vlokafmetingen tijdens het glijden wordt getoond in Fig. 3. Wat betreft de 5,8-nm vlok, kan ook een duidelijke stick-slip wrijving worden waargenomen voor zowel de 2.0- als 10- nm vlokken. Bovendien bestaat er duidelijk een grootte-effect in de gemiddelde wrijvingskracht per atoom F _fric /N, zie Afb. 3c. Onder dezelfde belasting zijn de gemiddelde wrijvingskrachten per atoom F _fric /N zijn groter voor een kleinere vlok. Dit grootte-effect is het gevolg van de geleidelijk afnemende rol van randen in de wrijving met de toenemende vlokgrootte [40, 41]. Opgemerkt moet worden dat zowel de QCM-experimenten als de MD-simulaties hebben aangetoond dat de wrijving van adsorbaatclusters afneemt met de toename van hun grootte [18,19,20,21,22], in overeenstemming met onze simulaties. De grootte-afhankelijkheid van wrijving in de QCM-experimenten en MD-simulaties wordt echter verklaard door de grootte-afhankelijke grensvlakcommensurabiliteit [18,19,20,21,22].

Wrijvingskracht als functie van de schuifafstand bij verschillende normale belastingen (L). De flake heeft een vierkante vorm met een afmeting van 5,8 nm. Hier is a0 (= 9.99 Å) de roosterafstand van Au(111) langs de schuifrichting

De variatie van wrijvingskracht en gemiddelde wrijvingskracht voor verschillende vlokgroottes. De typische wrijvingskracht als functie van de schuifafstand voor de 2,0 nm (N = 160 atomen) vlok (a ) en 10 nm (N = 3936 atomen) vlok (b ). c De gemiddelde wrijvingskracht per atoom (F _fric /N) als functie van de belasting per atoom (L/N). Hier is a0 (= 9.99 Å) de roosterafstand van Au(111) langs de schuifrichting

Omdat de vorm van de schuif een belangrijke rol speelt bij het bepalen van wrijving [42, 43], om het effect van de vorm van de vlok op het wrijvingsproces verder te onderzoeken, modelleren we ook het glijdende wrijvingsproces met behulp van een ronde grafeenvlok (N = 1080 atomen) en een driehoekige grafeenvlok (N = 654 atomen). Figuur 4 toont de variatie van de typische wrijvingskrachten en gemiddelde wrijvingskrachten voor verschillende vlokvormen tijdens het glijden. Zoals weergegeven in Fig. 4a, b, bij kleine belastingen (L = 20 nN voor ronde vlok en L = 10 nN voor driehoekige vlok), schommelt de wrijvingskracht continu rond nul en kan superlage wrijving (superlubriciteit) worden waargenomen. Bij grote normale belastingen (L = 400 nN voor ronde vlok en L = 200 nN voor driehoekige vlok), vertoont de vlok een duidelijke stick-slip beweging en een grote wrijvingskracht [39]. Onder dezelfde belasting zijn de gemiddelde wrijvingskrachten per atoom F _fric /N zijn de grootste voor de vierkante vlok en de kleinste voor de driehoekige vlok, terwijl F _fric /N voor de ronde vlok zitten er tussenin. Verder is het verschil van de gemiddelde wrijvingskrachten per atoom F _fric /N tussen de ronde en driehoekige vlok is vrij klein. Maar F _fric /N voor de vierkante vlok is veel groter. Daarom is het duidelijk dat de vlokvorm een ​​cruciale rol speelt in het glijproces.

De variatie van wrijvingskracht en gemiddelde wrijvingskracht voor verschillende vlokvormen. De typische wrijvingskracht als functie van de schuifafstand voor de ronde (N = 1080 atomen) vlok (a ) en driehoekig (N = 654 atomen) vlok (b ). c De gemiddelde wrijvingskracht per atoom (F _fric /N) als functie van de belasting per atoom (L/N). Hier is a0 (= 9.99 Å) de roosterafstand van Au(111) langs de schuifrichting

Het is bekend dat de oriëntatie van de vlok ten opzichte van het substraat ook van cruciaal belang is bij het bepalen van de wrijving [42]. Om het oriëntatie-effect op de wrijving te onderzoeken, wordt de grafeenvlok onder verschillende hoeken tegen de klok in gedraaid rond de z -as loodrecht op het contact. De rotatiehoek 0° (zonder rotatie) komt overeen met de situatie waarin de x -as is langs de fauteuilrichting van het grafeen terwijl de rotatiehoek van 90° overeenkomt met de situatie waarin de x -as is langs de zigzagrichting. De variatie van wrijvingskracht als functie van de schuifafstand voor de vierkante flake van 5,8 nm met verschillende rotatiehoeken bij L = 240 nN wordt getoond in Fig. 5. De bijbehorende gemiddelde wrijvingskrachten F _fric voor verschillende rotatiehoeken bij verschillende normale belastingen worden berekend zoals weergegeven in Fig. 6. Het is duidelijk dat voor vlokken met θ = 15° en θ = 45° de wrijvingskrachten continu rond nul schommelen en supersmering kan worden waargenomen, zie Fig. 5b, ged. Bovendien is er weinig verschil in de gemiddelde wrijvingskrachten voor vlokken met θ = 15° en θ = 45°, zie Fig. 6. Voor de vlokken met θ = 30°, 60° en θ = 90° geldt echter dat de vlokken vertonen een duidelijke stick-slip beweging en een relatief grote wrijvingskracht. Verder is de gemiddelde wrijvingskracht groter voor een grotere rotatiehoek voor de flakes met θ = 30°, 60°, en θ = 90°. De wrijvingskrachten voor vlokken met rotatie zijn allemaal veel kleiner dan die voor de vlokken zonder rotatie (θ = 0°).

De wrijvingskracht versus de schuifafstand van de vierkante vlok van 5,8 nm bij L = 240 nN voor verschillende rotatiehoeken (θ = 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 90°). een –f corresponderen met respectievelijk de rotatiehoek 0°~90°. Hier is a0 (= 9.99 Å) de roosterafstand van Au(111) langs de schuifrichting

De gemiddelde wrijvingskracht Ffric van de vierkante flake van 5,8 nm voor verschillende rotatiehoeken bij verschillende normale belastingen

Het feit dat monokristallijn goud significante anisotrope effecten vertoont, moedigt ons aan om het effect van kristaloriëntatie van substraat op het wrijvingsproces verder te bestuderen. We hebben MD-simulaties uitgevoerd voor nog twee combinaties van kristaloriëntatie en glijrichting, namelijk (001) [100] en (110) [001]. De wrijvingskracht en gemiddelde wrijvingskracht F _fric van de 5,8-nm vierkante vlok die op de Au-substraten met verschillende kristaloriëntaties glijdt, wordt getoond in Fig. respectievelijk 7 en 8. Zoals verwacht neemt de wrijvingskracht toe met de normale belasting. Het is te zien dat onder dezelfde belasting de wrijvingskrachten voor het Au(001)- en Au(110)-oppervlak groter zijn dan die voor het Au(111)-oppervlak, en dat de wrijvingskrachten voor het Au(110)-oppervlak de grootste.

De wrijvingskracht van de vierkante flake van 5,8 nm die op de (a ) Au(001) en (b ) Au(110)-oppervlakken als functie van de schuifafstand bij verschillende normale belastingen. Hier is a1 (= 4.08 ) de roosterafstand van Au(001) langs de schuifrichting en a2 (= 4.08 Å) is de roosterafstand van Au(110) langs de schuifrichting

De gemiddelde wrijvingskracht F _fric van de vierkante vlokken van 5,8 nm die op de Au-substraten glijden met verschillende kristaloriëntatie bij verschillende normale belastingen

Volgens het bekende Prandtl-Tomlinson-model [44] is wrijvingskracht nauw verwant aan de energiegolf van het grensvlak [45,46,47]. Om de onderliggende mechanismen achter het significante anisotrope effect van wrijving te onderzoeken, hebben we de potentiële interactie-energie tussen de vlok en het Au-substraat berekend terwijl we de vlokpositie [46] veranderden. De potentiële energie wordt berekend voor een starre vlok op een vaste hoogte die overeenkomt met de gemiddelde hoogte voor de gegeven belasting [29]. Drie typische contourgrafieken die de ruimtelijke variatie van de potentiële energie voor Au(111), Au(110) en Au(001)-oppervlakken op L weergeven = 120 nN worden respectievelijk getoond in Fig. 9a–c. Om de kaarten van het potentiële energieoppervlak (PES) in Fig. 9 te verkrijgen, gebruiken we 21 mesh-punten langs beide x en y routebeschrijving. In Fig. 9 zijn de energiegolven berekend voor Au(111), Au(110) en Au(001) respectievelijk 3,5 eV, 66,6 eV en 29,1 eV. In Fig. 9a–c, een zwarte ononderbroken lijn (y = 0) op de PES-kaarten wordt gebruikt om het glijdende pad van de vlok weer te geven. De potentiële energie van de grafeen-goudinteractie langs het glijdende pad voor Au(111), Au(110) en Au(001) is ook uitgezet in respectievelijk Fig. 9d-f. De energiegolven langs het glijdende pad voor Au(111), Au(110) en Au(001) in figuur 9 zijn respectievelijk 3,5 eV, 59,7 eV en 29,1 eV. Het is duidelijk te zien dat de amplitude van de energiegolf hetzelfde anisotrope effect vertoont als wrijving. De energiegolf voor het Au(001)- en Au(110)-oppervlak is groter dan die voor het Au(111)-oppervlak, en de energiegolfvorming voor het Au(110)-oppervlak is het grootst. Daarom verklaart dit duidelijk het significante anisotrope effect van wrijving tijdens het glijden [45,46,47]. De bevinding dat de wrijvingskracht afneemt met de afname van de interactiesterkte tussen grafeen en substraat (energiegolf) komt overeen met de MD-simulaties [16] en het QCM-experiment [17].

Contourkaarten van de potentiële energie voor het oppervlak Au(111), Au(110) en Au(001) op L = 120 nN worden weergegeven in a –c , respectievelijk. De vierkante grafeenvlok van 5,8 nm wordt geadopteerd. In een –c , een zwarte ononderbroken lijn (y = 0) op de kaarten wordt gebruikt om het glijdende pad van de vlok weer te geven. De potentiële energie van de interactie tussen grafeen en goud langs het glijdende pad voor het oppervlak Au(111), Au(110) en Au(001) is ook uitgezet in d –f , respectievelijk. De eenheid van de potentiële energie is eV. De gemiddelde hoogte van de vlok bij L = 120 nN voor het oppervlak Au(111), Au(110) en Au(001) is respectievelijk 2,36 Å, 2,1 Å en 2,17 Å

Om beter overeen te komen met de echte experimentele omstandigheden, hebben we verder MD-simulaties van glijdende wrijving uitgevoerd zonder de bewegingsbeperking van grafeen in de y richting, in welk geval de vlok kan draaien en bewegen in de y richting. Figuur 10 toont de wrijvingskracht als functie van de schuifafstand bij verschillende normale belastingen voor de grafeenvlok met een vierkante vorm en grootte van 5,8 nm bestaande uit 1344 atomen. Hoewel de waarden van wrijvingskracht zijn veranderd, is te zien dat de wrijvingskrachten voortdurend toenemen, gevolgd door abrupte dalingen, wat een voor de hand liggende stick-slip-beweging is, vergelijkbaar met figuur 2. De wrijvingskracht neemt zoals verwacht toe met de belasting. We bestudeerden ook het wrijvingsproces van nog eens twee vierkante grafeenvlokken met een grootte van 2,0 nm (N = 160 atomen) en 10,0 nm (N = 3936 atomen) zonder de bewegingsbeperking van grafeen in de y richting. De variatie van wrijvingskracht en gemiddelde wrijvingskracht voor verschillende vlokgroottes tijdens het glijproces wordt getoond in Fig. 11. Net als bij Fig. 3, zien we ook een duidelijke stick-slip wrijving voor zowel de 2.0- als 10-nm vlokken. Verder bestaat er een grootte-effect in de gemiddelde wrijvingskracht per atoom F _fric /N, zie Afb. 11c. Onder dezelfde belastingen zijn de gemiddelde wrijvingskrachten per atoom F _fric /N zijn groter voor een kleinere vlok, wat typisch is voor het grootte-effect van wrijving. Over het algemeen vonden we dat de belangrijkste bevindingen van MD-simulaties van wrijvingsproces met y -richtingsbeweging van vlok beperkt houdt nog steeds vast na versoepeling van de bewegingsbeperking van grafeenvlok in de y richting tijdens het glijden.

Wrijvingskracht als functie van schuifafstand bij verschillende normale belastingen (L ) voor het wrijvingsproces zonder de bewegingsbeperking van grafeen in de y richting. De flake heeft een vierkante vorm met een afmeting van 5,8 nm. Hier is a0 (= 9.99 Å) de roosterafstand van Au(111) langs de schuifrichting

De variatie van wrijvingskracht en gemiddelde wrijvingskracht voor verschillende vlokgroottes voor het wrijvingsproces zonder de bewegingsbeperking van grafeen in de y richting. De typische wrijvingskracht als functie van de schuifafstand voor de 2,0 nm (N = 160 atomen) vlok (a ) en 10 nm (N = 3936 atomen) vlok (b ). c De gemiddelde wrijvingskracht per atoom (F _fric /N) als functie van de belasting per atoom (L/N). Hier is a0 (= 9.99 Å) de roosterafstand van Au(111) langs de schuifrichting