单晶硅表面镀多层石墨烯膜纳米黏着接触特性与产生机理研究

编号：CYYJ04551

篇名：单晶硅表面镀多层石墨烯膜纳米黏着接触特性与产生机理研究

作者：陈晶晶；罗灿飞；张鹏坤；杨旭；袁军军

关键词： 纳米黏着; 半导体Si; 石墨烯膜; 原子尺度; 分子动力学;

机构： 南昌理工学院机械表/界面摩擦磨损与防护润滑研究中心

摘要： 针对微/纳机电系统半导体硅材料两接触面间产生的黏着磨损和黏附接触失效所带来产品的耐久性差、可靠性低、延寿期短等问题，从原子尺度知悉硅表面黏附接触特性及抑制黏着效应的产生，将对改善半导体硅材料界面接触性能起促进作用。据此，基于经典分子动力学的纳米压痕法，分析单晶Si表面镀石墨烯膜层数﹑极端服役温度﹑膜基界面结合能系数对其黏着接触行为﹑剪切变形﹑原子位移幅度﹑应力分布﹑位错﹑表面形貌﹑黏附原子数的差异化，揭示黏着产生机理。结果表明：单晶硅表面镀石墨烯膜层数与硅基承载性能提升呈正相关。另外，随覆石墨烯层数增加，硅表面覆膜出现逆黏着效应，即硅表面镀3层石墨烯相比硅表面无石墨烯产生的黏附原子数出现显著降低，降幅达3.47倍，界面接触性能得以明显提升。单晶硅表面镀石墨烯黏着产生机理为针尖与硅基间紧密接触区集中了高应力，致应变局域化加剧，使硅原子间键合受损，形成黏着效应。此外，随石墨烯层数增加，紧密接触区应力集中减小，黏着效应随之减弱。然而，随服役温度从极端低温到高温，黏着效应逐渐增强。研究也指出：膜基界面结合能系数越高，单晶硅承载荷越强，但加载期的紧密接触区剪切变形和原子位移幅度变化越剧烈，产生的黏着效应越突出。研究结果将在后期通过界面设计提升硅材料服役性能与抗黏着效应的方案优化方面具有参鉴价值。