柔性微尺度摩擦力的調諧對于可穿戴電子設備、觸覺傳感器和柔性齒輪的可靠性是可取的。在此，使用直徑為5微米的1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷（FDTS）自組裝單層（SAMs）修飾的微球探針，在微尺度上獲得了原子薄石墨烯在柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）基體上的摩擦力調諧。摩擦力可以通過PDMS的彈性模量和石墨烯的厚度的差異進行大尺度的調整。FDTS SAMs修飾的探針的疏水特性通過減少界面附著力和防止毛細管相互作用的影響而減少了摩擦力；因此，由于壓痕深度減少，從而減少了界面接觸面積，摩擦力隨著PDMS基體彈性模量的增加而減少；同時，隨著石墨烯厚度的增加，平面外剛度的增強有效地降低了界面接觸質量。通過理論計算，從接觸區(qū)周圍的法向和側向變形產生的摩擦力方面，進一步驗證了石墨烯上摩擦力的靈活調整。這項工作對于促進柔性微器件的設計和可靠性是有意義的。
圖1. (a) 彈性PDMS基底上的石墨烯的典型AFM形貌。插圖：折疊步驟的高度曲線。(b) 不同厚度的石墨烯的拉曼光譜。(c) 直徑為5 μm的SiO
2微球探針的SEM圖像。插圖：微球頂部中心的AFM圖像。(d) FDTS修飾的探針與PDMS基底上的石墨烯滑動的示意圖。插圖顯示了FDTS SAMs的化學結構，不同厚度的石墨烯的圖示，以及具有可變彈性模量的PDMS的光學圖像。
圖2. (a) 使用SiO
2微球探針和FDTS修飾的探針在PDMS基底上對石墨烯的附著力和(b)摩擦力與負載的關系。(c) 使用SiO
2探針和FDTS修飾的探針在石墨烯上測量的力分離軌跡曲線。插圖：（I、II、III）納米壓痕實驗過程和（IV）壓痕深度的示意圖。(d) 使用SiO
2探針和FDTS修飾的SiO
2探針測量壓痕深度。PDMS基底的彈性模量為0.12MPa。石墨烯的厚度為1.3納米。用于粘附和壓痕深度測量的法向載荷為10 nN。
圖3：(a)附著力，(b)摩擦力與載荷的關系，以及(c)使用FDTS修飾的SiO2探針在不同彈性模量的PDMS基底上的石墨烯壓痕深度。(c)的插圖顯示了FDTS修飾的探針和石墨烯之間的界面示意圖，其彈性模量相對較低和較高。(d) 摩擦力和接觸面積是壓痕深度的函數(shù)。用于附著力測量的法向載荷為10 nN。石墨烯的厚度是1.3納米。
圖4. (a) 使用FDTS修改的探針測量的不同厚度的石墨烯的摩擦力與載荷的關系。(b)在施加10nN的載荷下的接觸面積。(b)的插圖顯示了FDTS修飾的探針和石墨烯之間的界面的示意圖，有相對較薄和較厚的層。PDMS基底的彈性模量為1.32MPa。
圖5. 側向力是石墨烯掃描距離的函數(shù)，厚度為(a)3.0 nm，使用SiO
2探針測量；(b)3.0, (c)5.0, 和(d)6.3 nm，使用FDTS修飾的探針測量。(e) 當針尖在不同厚度的石墨烯上滑動時的滑移能量耗散。(f)SiO
2探針在PDMS基底上的薄石墨烯上滑動和(g)FDTS修改的探針在PDMS基底上的厚石墨烯上滑動的示意圖。掃描速率為1Hz，施加的法向載荷為5nN。PDMS的彈性模量為1.32 MPa。
圖6. FDTS修飾的探針在PDMS基底上對石墨烯滑動的示意圖，顯示了摩擦的三個主要部分。(a) FDTS SAM和石墨烯之間的范德華力說明（黃線），不考慮變形的影響。(b) 接觸界面的法向變形（橙線），以及法向載荷下接觸區(qū)域旁邊的徑向和周向變形（紅線）的說明。石墨烯在PDMS基底上的理論和實驗摩擦力是（c）PDMS的彈性模量（石墨烯的厚度：1.3nm）和（d）石墨烯的厚度（PDMS的E：1.32MPa）的函數(shù)。(e) 石墨烯的理論和實驗摩擦值作為負載的函數(shù)，彈性模量和厚度分別為1.32 MPa和6.3 nm。
相關研究成果由東華大學Yitian Peng 等人2023年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.3c00098)上。原文：Flexible Tuning of Friction on Atomically Thin Graphene。
轉自《石墨烯研究》公眾號
