英文原题：Manipulation and Characterization of Submillimeter Shearing Contacts in Graphite by the Micro-Dome Technique
通讯作者：瞿苍宇，宾夕法尼亚大学；郑泉水，清华大学
作者：Dinglin Yang (杨鼎麟), Yujie Gongyang (龚阳玉洁)
背景介绍
微纳操纵技术是微纳米领域的关键技术，也是解决现有挑战的必要条件。一个例子是实现大尺度结构超滑的挑战。结构超滑是指在固体-固体接触滑移过程中呈现磨损为零和摩擦系数几乎为零的状态，结构超滑技术为解决摩擦磨损问题提供了一个颠覆性解决方案。迄今为止，文献中已经报道的最大单体结构超滑接触面积约为100 µm2量级；目前所有我们已知的结构超滑可能的应用场景，都需要宏观或裸眼可见尺度（亚毫米以上）的接触界面。亚毫米级结构超滑没有实现的主要原因之一是缺乏合适的操纵技术。
图1. 本研究示意图
文章亮点
近日，清华大学郑泉水院士团队在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了基于微触头技术操纵、表征亚毫米石墨剪切界面的研究工作。使用该技术操纵石墨剪切接触的最大面积为1×1 mm2，是传统探针方法最大操纵尺寸（20×20 µm2）的2500倍。
图2. 微触头技术
基于该技术，亚毫米HOPG石墨方块的剪切界面首次被打开。如图3所示，采用原子力显微镜（AFM）、电子背散射衍射（EBSD）、拉曼光谱和俄歇电子能谱（AES）对接触界面的两侧进行了系统的表征，并在界面发现了三种缺陷结构：共度晶粒（commensurate grains）、外台阶（external steps）和碳杂质（carbon aggregates）。EBSD结果表明，亚毫米石墨剪切界面是由多晶组成的，且可能含有共度晶粒，这与微米尺度石墨剪切界面的单晶非共度界面并不相同。结合晶粒信息和AFM图像，我们发现了两种不同的表面台阶。一种可能与晶界重合，另一种位于单个晶粒内部，这表明二者的形成机制可能是不同的。
图3. 亚毫米石墨剪切接触界面的表征
进一步的拉曼光谱和AES结果表明，界面中的杂质为无序的碳。所有这些缺陷结构均对界面总摩擦有贡献，并可能是在亚毫米石墨剪切界面上没有实现结构超滑的原因。因此，若要实现毫米级结构超滑，必须消除这些缺陷结构，同时扩大晶粒宽度。
研究团队进一步基于赫兹接触模型对微触头技术进行了力学分析，得出微触头尺寸必须限制在规定范围内，即rmin＜R/B＜rmax（ R为微触头半径，B为接触界面边长，rmin与rmax为与材料有关的参数），这为合理设计微触头的尺寸提供了指导。最后，研究团队开发了一种集成微触头技术的双轴力测量装置，并成功测量了100×100 µm2石墨剪切接触的法向力和侧向力。
总结/展望
研究团队将微触头技术应用于操纵亚毫米石墨剪切界面，最大操纵面积达到了1 mm2，是以前基于探针的技术（400 µm2）的2500倍。研究者采用原子力显微镜（AFM）、电子背散射衍射（EBSD）、拉曼光谱和俄歇电子能谱（AES）对接触界面的两侧进行了系统的表征，在界面处发现了三种缺陷结构，即共度晶粒、外台阶和碳杂质。进一步，对微触头技术的力学分析为合理选择微触头材料和设计其尺寸提供了理论指导。最后，研究者开发了一种集成微触头技术的双轴力测量装置，测量了100×100 µm2石墨剪切接触的法向力和侧向力。本项工作为未来研究跨尺度的结构超滑现象和操纵层状材料提供了平台技术。
相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，清华大学博士研究生杨鼎麟为文章的第一作者， 瞿苍宇博士和郑泉水教授为通讯作者。
通讯作者信息
瞿苍宇 博士
现为美国宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学系博士后，于清华大学工程力学系获博士学位并入选2020年度中国力学学会优秀博士学位论文。研究方向为结构超滑及微纳米力学/摩擦学，以第一/共同通讯作者身份在Physical Review Letters杂志发表高水平论文4篇，合作工作发表在Science Advances, Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), Nano Letters, Advanced Functional Materilas, Journal of the Mechanics and Physics of Solids (JMPS)等高水平学术期刊，Google Scholar被引500余次。
郑泉水 教授
中国科学院院士，现为清华大学深圳国际研究生院教授，固体力学与微纳米力学专家。曾任清华大学工程力学系系主任、中国力学学会副理事长、中国力学学会旗舰杂志《力学学报》和Acta Mechanica Sinica主编等。2009年起担任清华学堂钱学森力学班创办首席教授；2010年起担任清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心创办主任；2018年起担任深圳清华大学研究院超滑技术研究所创办所长；2021年起担任深圳零一学院创始院长。郑泉水在1980-90年代创建了完整的本构方程张量函数理论。新千年后开创了结构超滑理论与应用技术，并致力于拔尖创新型学生的培养。在这些领域，他于2004和2017年两次获得了国家自然科学奖二等奖（第一获奖人），2018年获得了国家级教学成果一等奖，2020年获得宝钢优秀教师特等奖，2021年荣获年度杰出教学奖。
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ACS Applied Materials & Interfaces. 2023, 15, 37, 44563–44571
Publication Date: September 6, 2023
https://doi.org/10.1021/acsami.3c09941
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