扫描速率对硅表面分子沉积膜纳米摩擦特性的影响.pdfVIP

收稿日期： 2003-01-06 ；修回日期： 2003-04-10 基金项目：国家自然科学基金资助项目（），重质油加工国家重点实验室开放课题（ 2002 05 ） 文章编号： 1004-1656 （ 2003 ） 05-0734-03 扫描速率对硅表面分子沉积膜纳米摩擦特性的影响 高芒来1，聂时春2，张嗣伟3 （ 1 . 石油大学化工学院，北京 102249 ； 2 . 中国石化长城润滑油集团有限公司，北京 100085 ； 3 . 石油大学机电学院，北京 102249 ） 关键词：扫描速率；硅表面；分子沉积膜；纳米摩擦特性；磺化酞菁铜 中图分类号： O613.72 文献标识码： A 本研究小组曾简要报道过扫描速率对 Au 衬 底表面分子沉积膜（ MD ）的 纳 米 摩 擦 特 性 的 影 响［1］，本文利用原子力显微镜（ AFM ）研究了硅表 面、羟基化硅表面、氨丙基硅烷（ aminopropylSilanized 简 称 APS ）化 硅 表 面 及 硅 衬 底 上 磺 化 酞 菁 铜 （ CuTSPc ）单层 MD 膜表面的摩擦力随针尖扫描速 率变化的规律。 1 实验方法 1.1 仪器与试剂 TMX2000 型原子力显微镜（ TopoMetrix 公司）。 甲苯、二甲苯、丙酮、无水乙醇、氯仿、浓硫酸、过氧 化氢、浓盐酸（以上均为分析纯）， 3- 氨丙基 - 三乙 氧基 硅 烷（ KH-550 ， ACROS 产 品），磺 化 酞 菁 铜 （ ALDRICH 产品），去离子水（电阻率大于 10M ! · cm ）。 单晶硅（ 100 ）片由北京有色金属研究总院提供。 1.2 MD 膜的制备及［2］ AFM 实验 利用甲苯、丙酮、氯仿、乙醇、水等溶剂超声清 洗单晶硅（ 100 ）表面，然后用浓硫酸和过氧化氢的 混合物进行羟基化处理，再将羟基化硅片放入 3- 氯丙基 - 三乙氧基硅烷的二甲苯蒸汽环境中反应 （ APS 化 ），之 后 用 甲 苯、乙 醇、水 漂 洗，浸 入 0.1mol / L 的 HCl 溶液，表面带正电荷，最后将其浸 入带负电荷的 0.1mol / L 磺化酞菁铜溶液中，取出 干燥，可得单层 MD 膜。 利用 AFM 分别对不同类型的硅表面进行摩 擦力随针尖扫描速率的变化实验：原子力显微镜 微悬臂和探针均为 Si 3 N 4 ，针尖型号为 1050 ，扫描 速度为 5 ~ 80 m / S ，载荷为 10nN ，温度为 20C ，相 对湿度为 40% ，环境为大气。 2 结果与讨论 图 1 硅表面上摩擦力对扫描速率的变化曲线 Fig.1 Frictional force vS. Scan rate on Silicon 图 2 羟基化硅表面上摩擦力对扫描速率的变化曲线 Fig.2 Frictional force vS. Scan rate on hydroxylate Silicon 第 15 卷第 5 期 2003 年 10 月 化 学 研 究 与 应 用 Chemical ReSearch and Application Vol .15 ， No.5 Oct . ， 2003 图 3 APS 化表面上摩擦力对扫描速率的变化曲线 Fig.3 Frictional force vS. Scan rate on APS Silicon 图 4 单层 CUTSPc MD 膜硅表面上摩擦力 对扫描速率的变化曲线 Fig.4 Frictional force vS. Scan rate on monolayer CUTSPc MD film 由图 1 ~ 图 4 可知，不同类型的硅表面上摩 擦力对扫描速率有三种不同的响应： ! 单晶硅 Si （ 100 ）表面和羟基化硅表面，这类表面摩擦力随着 扫描速率的增加而增加，这是因为硅表面和羟基 化硅表面是较硬的表面，在摩擦的过程中， Si 3 N 4 和硅或羟基化硅表面发生的变形很大程度上是弹 塑性变形。 APS 化硅表面，随着扫描速率增大 摩擦力先减小而后增大，并且表现出较好的二次 函数的关系。当扫描速率低于 30 # m / S 时，摩擦力 随扫描速率增大而减小，这时表面膜为无定形态； 而扫描速率高于 30 # m / S 时，随着扫描速率的增大 摩擦力增大，表面膜完成了向晶态的转变。也可 以说， APS 化表面在扫描速率为 30 # m / S 时，由于 针尖和摩擦热的作用，表面膜产生所谓的“熔融” 状态，即由原来的无定形态（ amorphoUS State ）态转 变为晶态（ cryStalline State ），完成了剪切诱导有序 化转变（ Shear-indUced ordering tranSition ）的过程，此 过程可由分