摘要
石墨烯具有优异的润滑和电学性能，在微/纳机电系统（MEMS/NEMS）中有广泛的潜在应用。由于悬浮情况下能够消除基底对石墨烯的各种因素影响，保留其本征的摩擦特性。因此，研究悬浮石墨烯的摩擦特性在提高相关微电子器件摩擦性能方面有巨大的优势。本文采用传统的微加工工艺在SiO2/Si基底上的SiO2表面制备微孔阵列，通过机械剥离将石墨烯转移至刻蚀通孔上形成悬浮结构，基于原子力显微镜（AFM）和高精度旋转台探究了在不同方向不同厚度悬浮石墨烯的表面纳米摩擦特性、厚度相关的负载摩擦迟滞机制和基底电场下悬浮石墨烯的摩擦特性。结果表明： （1）厚度为3.6nm支撑石墨烯的表面纳米摩擦表现出显著的各向异性但无周期性规律，原因是褶皱效应的产生，增大了晶格方向的变形。厚度为7.5nm和14.7nm支撑石墨烯的表面纳米摩擦呈现180°和90°的周期各向异性规律，归因于晶格取向和褶皱效应的共同作用。厚度为24.5nm支撑石墨烯的表面纳米摩擦呈现60°的周期各向异性规律，主要受到晶格取向的作用，且沿扶手椅型晶格取向的摩擦力大于锯齿型晶格取向的摩擦力。悬浮状态下，针尖施加载荷被石墨烯的表面包裹，这种包裹结构导致摩擦各向异性无周期性规律。 （2）摩擦迟滞实验中，悬浮石墨烯具有厚度依赖性，随着厚度的减小，悬浮石墨烯表现出更明显的摩擦滞后现象。此外，随着设定的最大载荷增加时，摩擦迟滞现象也越明显。基底支撑情况下，由于基底对石墨烯的强粘附作用，没有观察到摩擦滞后的现象。针尖在悬浮和支撑石墨烯的表面测量的力-距离曲线与挠度-载荷关系产生的滞后现象与摩擦滞后发现的现象一致。 （3）在基底电场的作用下，悬浮石墨烯的摩擦力随偏压值的增加而增加，且偏压值相同时正偏压下的摩擦力总是大于负偏压下的摩擦力。同样在基底电场作用下，粘附力与摩擦力的变化趋势一致，且观察针尖在悬浮石墨烯的表面粘滑行为发现摩擦能耗会增加。此外，与基底支撑情况下相比，石墨烯悬浮状态下即氧化层缺失时，针尖受到静电力作用影响明显，导致摩擦力增量更大。
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