CN111717881B - 一种超滑滑块的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种通过改进加载方式避免超滑滑块屈曲失稳及结构破坏的超滑滑块的制备方法，包括通过聚焦离子束刻蚀等方法，在探针尖端刻蚀出一个平台，用该平台与超滑滑块接触，并将加载方式改为使用探针从顶部接触超滑滑块，施加正压力和剪切力，从而推动滑块。本发明提出的方法简单便捷，可避免在超滑滑块较大时，滑块在探针推动下发生屈曲失稳从而收到破坏的问题。同时，本发明提出的方法能提高批量生产超滑滑块的成品率，并且具有广泛适用性。

Description

一种超滑滑块的制备方法
技术领域
本发明涉及固体结构超滑领域，尤其涉及一种通过改进加载方式避免超滑滑块屈曲失稳及结构破坏的超滑滑块的制备方法。
技术背景
长期以来,摩擦和磨损问题,不但与制造业密切相关,还与能源、环境和健康直接相关。据统计,全世界约三分之一的能源在摩擦过程中被消耗掉,约80％的机器零部件失效都是由磨损造成的。结构超滑是解决摩擦磨损问题的理想方案之一，结构超滑是指两个原子级光滑且非公度接触的范德华固体表面(如石墨烯、二硫化钼等二维材料表面)之间摩擦、磨损几乎为零的现象。2004年，荷兰科学家J.Frenken的研究组通过实验设计，测量粘在探针上的一个几纳米大小(共约100个碳原子)的石墨片在高定向热解石墨(highlyoriented pyrolytic graphite，HOPG)晶面滑动时的摩擦力，首次实验证实了纳米级超润滑的存在。2013年，郑泉水教授第一次在微米尺度发现HOPG(Highly Oriented PyrolyticGraphite)片层材料之间的超滑现象，这标志着超滑从基础研究过渡到可应用化的技术研究过程。
现有制备微米尺度超滑滑块的方法是，首先通过涂覆并构图光刻胶，然后刻蚀光刻胶及未被光刻胶保护的部分石墨，在HOPG材料表面形成若干尺寸在微米尺度的石墨岛。随后依次推开这些石墨岛，形成超滑滑移面，从而制备超滑滑块。在超滑滑块的制备过程中，推开石墨岛是重要一步，它将决定是否可以得到可用的超滑滑块和超滑滑移面。通常来讲，石墨岛阵列的刻蚀制备过程工艺已较为成熟，成功率高。然而现有技术在推开石墨岛的过程中，会出现损坏石墨岛无法得到超滑滑块的情况。
现有推开超滑滑块的方法是采用探针推动石墨岛，探针的加载方式是通过探针接触超滑滑块的侧面，施加侧向力从而推动滑块。然而，该加载方式容易引起滑块的损坏。具体来讲，随着超滑滑块尺寸的增大，使用现有的探针推动加载方式来推动滑块，会导致滑块在面外方向发生屈曲失稳，此时滑块由于塑性变形以及断裂等，发生结构破坏，从而无法正常地实现超滑滑动。另外，也有通过加工顶面带沉孔的超滑滑块，使用现有探针在沉孔处接触滑块并推动滑块，以避免上述屈曲失稳问题。但沉孔加工技术复杂，且如果探针对沉孔处施加的压强过大，仍然有可能导致滑块顶面的损伤。
总之，现有的超滑滑块制备方法中探针加载方式可能会导致滑块的屈曲失稳并发生结构破坏，从而无法得到合格的超滑滑块。这会降低批量化生产超滑滑块的成品率，故此需要一种简便的可以解决失稳问题的超滑滑块制备方法。
发明内容
为了能够解决超滑滑块在探针加载后可能导致的失稳问题，本发明提出了以下方案：通过聚焦离子束刻蚀等方法，在探针尖端刻蚀出一个平台，用该平台与超滑滑块接触，并将加载方式改为使用探针从顶部接触超滑滑块，施加正压力和剪切力，从而推动滑块。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种超滑滑块的制备方法，包括以下步骤，
步骤一：在高定向热解石墨上至少覆盖光刻胶；
步骤二：构图所述光刻胶，保留多个光刻胶岛；
步骤三：刻蚀所述高定向热解石墨，去除未被光刻胶保护的部分高定向热解石墨，形成多个岛状结构；
步骤四：检测所述多个岛状结构是否具有超滑面，下表面具有超滑剪切面的所述岛状结构即为超滑滑块；
其特征在于，
步骤四中，检测所述多个岛状结构是否具有超滑面包括以下步骤：通过控制尖端带有平台的探针，使所述平台从顶部与滑块接触，并施加正压力及剪切力。
根据本发明的另一个方面，步骤一中所述光刻胶优选为通过旋转涂布的方式进行覆盖。
根据本发明的另一个方面，步骤二中所形成的光刻胶岛的平均直径为1μm～30μm，光刻胶岛之间的平均间隔为1μm～100μm。
根据本发明的另一个方面，步骤三中所述刻蚀是反应离子刻蚀。
根据本发明的另一个方面，所述探针是钨探针。
根据本发明的另一个方面，所述钨探针直径为0.1～0.5mm，尖端曲率半径为1～10μm。
根据本发明的另一个方面，所述钨探针的平台是通过聚焦离子束刻蚀，在该钨探针的所述尖端刻蚀形成。
根据本发明的另一个方面，所述平台的尺寸与所述岛状结构的尺寸接近。
根据本发明的另一个方面，所述平台和所述超滑滑块3之间还具有连接层。
根据本发明的另一个方面，所述连接层的材料是SiO2，厚度优选为50nm～500nm，利用等离子体化学气相沉积法沉积所述SiO2连接层。
本发明提出的方法简单便捷，可避免在超滑滑块较大时，滑块在探针推动下发生屈曲失稳从而收到破坏的问题。同时，本发明提出的方法能提高批量生产超滑滑块的成品率，并且具有广泛适用性。
附图说明
图1示出现有钨探针加载方式及推动石墨岛状结构时所发生的屈曲失稳现象。
图2示出可避免石墨岛状结构屈曲失稳的钨探针的结构及其制备过程，其中(b)为针尖部分的放大图，(c)为通过聚焦离子束刻蚀制备平台后的针尖。
图3示出使用带平台的钨探针推动石墨岛状结构以制备超滑滑块的过程。
图4示出使用带平台的钨探针推动带有连接层的石墨岛状结构以制备超滑滑块的过程。
附图标记
1、现有的钨探针，2、石墨岛基底，3、石墨岛滑块，4、钨丝，5、钨探针尖端部分，6、钨探针尖端的平台，7、连接层
具体实施方式
以下将参考说明书附图详细描述本发明的可避免屈曲失稳及结构破坏的超滑滑块的制备方法。
步骤1，在HOPG上覆盖光刻胶，所述光刻胶可以通过旋转涂布的方式进行覆盖。
步骤2，构图所述光刻胶，保留多个光刻胶岛。构图光刻胶的步骤即确定了后续步骤中所形成的岛状结构的布局，例如可以利用电子束刻蚀方法构图所述光刻胶，所形成的光刻胶岛可以是，例如平均直径为1μm～30μm，光刻胶岛之间的平均间隔为1μm～100μm，这样刻蚀后的岛状结构也具有相应的平均直径和平均间隔。
步骤3，刻蚀所述基底，去除未被光刻胶保护的部分基底，从而形成多个岛状结构。所述刻蚀可以是例如反应离子刻蚀。
步骤4，使用尖端带平台的钨探针，利用机械臂逐个推开所述岛状结构检测其是否具有超滑剪切面，在具有自回复性能的岛状结构中，下表面具有超滑剪切面的HOPG片状结构即为超滑滑块。所述钨探针的制备及利用机械臂推开石墨岛结构的详细步骤如下：
步骤(1)通过电化学腐蚀，在直径为约0.1～0.5mm的钨丝端部腐蚀出曲率半径为1～10μm量级的尖端，从而制备形成钨探针。
步骤(2)通过聚焦离子束刻蚀等技术，在该钨探针的尖端以一定的倾角刻蚀出一个尺寸与待推动的石墨岛状结构接近的平台6，如图2所示。
步骤(3)，如图3所示，通过微纳米机械臂操纵该钨探针，使其尖端的平台6从滑块的顶部与滑块3发生接触，并施加一定的正压力。随后操纵探针沿水平方向对滑块施加剪切力。此时钨探针尖端的平台6对滑块3所施加的正压力抑制了滑块3的屈曲失稳，因此可剪切滑开超滑滑块而不会引起滑块的结构破坏。同时，由于钨探针尖端的平台6与滑块3顶部的接触面积较大，在同等正压力下正应力较低，进一步避免了滑块的结构破坏。
特别地，每个超滑滑块3还可以具有一连接层7，例如SiO2。具体制备方法为：
步骤1，在HOPG上依次覆盖连接层和光刻胶，所述连接层可以是SiO2，厚度可以是例如50nm～500nm，可以利用等离子体化学气相沉积法沉积所述SiO2连接层。所述光刻胶可以通过旋转涂布的方式进行覆盖。
步骤2，构图所述光刻胶，保留多个光刻胶岛。例如可以利用电子束刻蚀方法构图所述光刻胶，所形成的光刻胶岛可以是，例如平均直径为1μm～30μm，光刻胶岛之间的平均间隔为1μm～100μm，这样刻蚀后的岛状结构也具有相应的平均直径和平均间隔。
步骤3，刻蚀所述基底，以便去除未被光刻胶保护的SiO2连接层和部分基底，从而形成多个带有SiO2连接层的岛状结构。
步骤4，使用尖端带平台的特制钨探针，利用机械臂逐个推开所述岛状结构检测其是否具有超滑剪切面，在具有自回复性能的岛状结构中，下表面具有超滑剪切面的HOPG片状结构即为超滑滑块。所述钨探针的制备及利用机械臂推开石墨岛结构的详细步骤如下：
步骤(1)，通过电化学腐蚀，在直径为约0.1～0.5mm的钨丝端部腐蚀出曲率半径为1～10μm量级的尖端，从而制备形成钨探针。
步骤(2)，通过聚焦离子束刻蚀等技术，在该钨探针的尖端以一定的倾角刻蚀出一个尺寸与待推动的石墨岛状结构接近的平台，如图2所示。
步骤(3)，如图4所示，通过微纳米机械臂操纵该钨探针，使其尖端的平台6从滑块3的连接层7顶部与滑块发生接触，并施加一定的正压力。随后操纵探针沿水平方向对滑块3施加剪切力。此时钨探针尖端的平台6对滑块3所施加的正压力抑制了滑块的屈曲失稳。同时，由于钨探针尖端的平台6与滑块顶部的接触面积较大，在同等正压力下正应力较低，因而可避免连接层的结构破坏。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (9)

1.一种超滑滑块的制备方法，包括以下步骤，
步骤一：在高定向热解石墨上至少覆盖光刻胶；
步骤二：构图所述光刻胶，保留多个光刻胶岛；
步骤三：刻蚀所述高定向热解石墨，去除未被光刻胶保护的部分高定向热解石墨，形成多个岛状结构；
步骤四：检测所述多个岛状结构是否具有超滑面，下表面具有超滑剪切面的所述岛状结构即为超滑滑块；
其特征在于，
步骤四中，检测所述多个岛状结构是否具有超滑面包括以下步骤：通过控制尖端带有平台(6)的探针，使所述平台(6)从顶部与滑块接触，并施加正压力及剪切力，所述平台(6)的尺寸与所述岛状结构的尺寸接近。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤一中所述光刻胶为通过旋转涂布的方式进行覆盖。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤二中所形成的光刻胶岛的平均直径为1μm～30μm，光刻胶岛之间的平均间隔为1μm～100μm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤三中所述刻蚀是反应离子刻蚀。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述探针是钨探针。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述钨探针直径为0 .1～0 .5mm，尖端曲率半径为1～10μm。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述钨探针的平台(6)是通过聚焦离子束刻蚀，在该钨探针的所述尖端刻蚀形成。
8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述平台(6)和所述超滑滑块(3)之间还具有连接层(7)。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述连接层(7)的材料为SiO2，厚度为50nm～500nm，利用等离子体化学气相沉积法沉积所述连接层。
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