WO2020015243A1 - 二维层状材料包裹原子力显微镜探针及其制备方法以及应用 - Google Patents
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Definitions
- the two-dimensional layered material sheet layer 30 is directly wrapped on the top surface 22 and the side surface 24.
- the top surface 22 of the frustum-shaped needle tip 20 and the two-dimensional layered material sheet layer 30 have a strong intermolecular force, such as Van der Waals force, so that the two can be stably and firmly combined.
- the top surface 22 of the frustum-shaped needle tip 20 preferably has a dangling key, so that the Van der Waals force between the top surface 22 and the two-dimensional layered material sheet layer 30 is stronger.
- the material of the frustum-shaped needle tip 20 is single crystal silicon
- the top surface 22 is a fresh single crystal silicon surface
- the dangling key is a silicon dangling key.
- the expandable material 50 may be disposed on the other surface of the rigid substrate, preferably on the other surface of the support substrate 40.
- the expandable material 50 can generate volume expansion by heating, and the expansion is relatively rapid, so as to generate a certain impact force, such that the impact force of the hard substrate, such as the layered material 32, on the tapered needle tip 26 big enough.
- the expandable material 50 can be selected, for example, as a silver glue having an expansion point temperature of 150 ° C. to 200 ° C.
- the layered material 32 is thorium disulfide
- the two-dimensional layered material sheet 30 is a nanometer-thickness thorium disulfide sheet.
- the method of the embodiment of the present invention is also applicable to thorium disulfide, forming a frustum-shaped silicon needle tip that completely wraps the thorium disulfide sheet layer.
- the two-dimensional layered material sheet 30 is a single crystal graphite sheet, and an atomic force microscope is used to compare the needle tip wrapped with the single crystal graphite sheet with hexagonal boron nitride.
- the load gradually increased from 0nN to 400nN. It can be seen from Figure 16 that the friction between the two is close to 0nN under different loads, and it is in a super-slip state. It is calculated that the needle tip and hexagonal nitriding of the single crystal graphite sheet are calculated.
- the friction coefficient between boron layers is as low as 0.0001, and it also proves that the two-dimensional layered material sheet layer 30 is firmly and stably wrapped on the surface of the needle tip, has a single crystal structure and has almost no defects. And it was found through experiments that the probe of the embodiment of the present invention can still achieve ultra-slip when the ambient humidity is 60%, and has extremely strong abrasion resistance.
Abstract
一种二维层状材料包裹原子力显微镜探针及其制备方法和应用，所属探针包括悬臂（10）；从所述悬臂（10）表面突出的锥台状针尖（20）；以及包裹在所述锥台状针尖（20）的顶面（22）和至少部分侧面（24）的二维层状材料片层（30）。
Description
相关申请
本申请要求2018年07月19日申请的，申请号为201810797392.7，名称为“二维层状材料包裹原子力显微镜探针及其制备方法以及应用”的中国专利申请的优先权，在此将其全文引入作为参考。
本发明涉及一种原子力显微镜的探针及其制备方法以及应用，尤其涉及一种用于同质或异质层间摩擦特性研究的原子力显微镜的探针及其制备方法以及应用。
构建微纳米尺度的层间摩擦测量体系具有重要意义。一方面，摩擦在我们的日常生活中随处可见，发生相对运动的机械零部件间的摩擦消耗了大量的能源。因此，在当前中国能源缺口越来越大，装备制造业在国民经济中的作用越来越强的情况下，改善机械零件之间的摩擦状态并有效降低摩擦系数就显得尤其重要。另一方面，在过去的几十年当中，许多学者致力于减小摩擦的不利影响(包括降低能量耗散)直至实现摩擦力为零的超滑状态。学术界在超滑方面取得了突破性进展，发现了具有超滑特性的液体润滑剂和固体润滑剂。液体润滑剂在低温、极压等苛刻环境下易失效。而固体润滑则能够突破油膜润滑极限，显示出极大的优势。对于超精密制造的微机电(MEMS)系统，由于尺寸的减小，摩擦副的间隙通常在纳米级，纳米结构固体润滑薄膜在MEMS系统的减磨降磨中得到了广泛的应用。
而在固体超滑领域，构建微纳米尺度的层间摩擦测量体系，尤其是实现单晶接触状态下的同质或异质层间摩擦测量，是目前较难解决的问题。对纳米摩擦学的探索主要基于原子力显微镜(AFM)，其不仅可以实现纳米级尺寸和纳牛级微力的测量，而且可以同时得到三维形貌等信息，实现针对过程的测量。为构建微纳米尺度的层间摩擦测量体系，有研究者利用化学气相沉积法将石墨烯生长在AFM针尖上，或者利用湿法转移将生长在金属基底上的石墨烯转移到针尖上，又或利用光刻蚀的方法制备特殊材质的包裹有石墨烯的针尖。然而这些方法复杂，得到的石墨烯通常缺陷较多，且难于得到除石墨烯以外的材料包裹的针尖。另外也有研究者利用AFM针尖直接吸附材料小片，这种方法具有一定的偶然性，且材料与针尖结合不牢固，容易发生脱落。
发明内容
基于此，确有必要提供一种二维层状材料包裹原子力显微镜探针及其制备方法以及应用。
一种二维层状材料包裹原子力显微镜探针，包括：
悬臂；
从所述悬臂表面突出的锥台状针尖；以及
包裹在所述锥台状针尖的顶面和至少部分侧面的二维层状材料片层。
在其中一实施例中，所述二维层状材料片层为单晶结构。
在其中一实施例中，所述二维层状材料片层选自石墨片层、氮化硼片层、二硫化钼片层、二硫化钽片层和二硫化铼片层中的至少一种。
在其中一实施例中，所述二维层状材料片层的厚度为10纳米至70纳米，所述二维层状材料片层的大小为1μm×1μm至10μm×10μm。
在其中一实施例中，所述锥台状针尖的所述顶面的长度或直径为100纳米至300纳米。
在其中一实施例中，所述锥台状针尖的所述顶面为断裂面、刻蚀面或摩擦面。
在其中一实施例中，所述锥台状针尖的所述顶面为新鲜暴露的表面。
在其中一实施例中，所述锥台状针尖的所述断裂面、刻蚀面或摩擦面为新鲜形成的表面。
在其中一实施例中，所述锥台状针尖的材料为单晶硅。
在其中一实施例中，所述二维层状材料片层与所述锥台状针尖通过范德华力结合。
一种所述的二维层状材料包裹原子力显微镜探针的应用，用于获得与所述二维层状材料片层同质材料或异质材料的层间摩擦特性分析。
在其中一实施例中，用于获得与所述二维层状材料片层同质材料或异质材料单晶接触状态下的层间摩擦特性分析。
在其中一实施例中，包括将所述二维层状材料包裹原子力显微镜探针与所述同质材料或异质材料相对摩擦，构建单晶对摩摩擦体系，获得所述二维层状材料包裹原子力显微镜探针在不同载荷下与所述同质材料或异质材料之间的摩擦力，通过所述摩擦力随载荷变化曲线的斜率获得所述摩擦系数。
在其中一实施例中，包括使用所述二维层状材料包裹原子力显微镜探针获得单晶石墨片层与单晶氮化硼之间的摩擦力与摩擦副的相对转角的关系，所述单晶石墨片层与所述单晶氮化硼异质结构之间的摩擦力不随摩擦副的相对转角变化而变化。
在其中一实施例中，包括使用所述二维层状材料包裹原子力显微镜探针获得二硫化铼 片层与同质材料之间原子级分辨率层间侧向力图像。
一种二维层状材料包裹原子力显微镜探针的制备方法，包括：
提供表面为解理面的层状材料，所述解理面的局部具有二维层状材料片层，使所述解理面呈台阶状；
提供从悬臂表面突出的锥台状针尖，所述二维层状材料片层的面积大于所述锥台状针尖的顶面；
使所述锥台状针尖的所述顶面与被加热的所述二维层状材料片层接触，并通过所述锥台状针尖对所述二维层状材料片层施加载荷；以及
在施加所述载荷的条件下使所述锥台状针尖在所述二维层状材料片层表面来回往复摩擦，从而使所述二维层状材料片层在热辅助下从所述层状材料中剥离，并包裹所述锥台状针尖。
在其中一实施例中，所述提供从悬臂表面突出的锥台状针尖的步骤包括：
提供从所述悬臂表面突出的锥状针尖；以及
去除所述锥状针尖的尖端从而得到所述顶面为新鲜表面的所述锥台状针尖。所述新鲜表面具有悬挂键。
在其中一实施例中，所述去除所述锥状针尖的尖端的步骤包括：
提供硬质基底，所述硬质基底具有第一表面，在所述硬质基底远离所述第一表面的一侧设置有可膨胀材料；
将所述锥状针尖正对所述第一表面并间隔预定距离设置；
在热辅助条件下使所述可膨胀材料受热膨胀，从而使所述硬质基底与所述锥状针尖相撞，使所述锥状针尖的尖端断裂，从而得到所述顶面为新鲜断裂面的所述锥台状针尖。
在其中一实施例中，所述硬质基底为所述层状材料，所述第一表面为所述解理面。
在其中一实施例中，所述预定距离为几微米至十几微米。
在其中一实施例中，所述加热温度为150℃至200℃。
在其中一实施例中，所述去除所述锥状针尖的尖端的步骤包括：
刻蚀去除所述锥状针尖的尖端，得到所述顶面为新鲜刻蚀面的所述锥台状针尖；或者
机械摩擦去除所述锥状针尖的尖端，得到所述顶面为新鲜摩擦面的所述锥台状针尖。
在其中一实施例中，所述施加载荷的大小为500nN至800nN。
在其中一实施例中，所述回往复摩擦的幅度对应于所述二维层状材料片层的尺寸。
在其中一实施例中，所述锥台状针尖的顶面具有悬挂键。
在其中一实施例中，所述锥台状针尖的材料为单晶硅，所述顶面为单晶硅表面。
本发明提供的二维层状材料包裹原子力显微镜探针及其制备方法利用锥台状针尖的顶面提供与二维层状材料片层较大的接触面积，优选为提供新鲜形成的表面，与二维层状材料片层接触，并在施加载荷的同时来回往复摩擦，在加热辅助的条件下，使所述二维层状材料片层从所述层状材料中剥离，并稳定而牢固的包裹所述锥台状针尖。所述探针的制备方法简单方便，且为一种热辅助机械剥离转移过程，二维层状材料片层可以预先选定，在制备过程中不会引入缺陷，使得到的探针非常适用于摩擦学领域，特别是用于同质或异质层间摩擦特性的研究。
图1为本发明实施例的二维层状材料包裹原子力显微镜探针的结构示意图；
图2为本发明实施例的二维层状材料包裹原子力显微镜探针的制备方法的流程图；
图3为本发明实施例的层状材料的结构示意图；
图4A至图4C为本发明一实施例的二维层状材料包裹原子力显微镜探针的制备方法的过程示意图；
图5为本发明实施例的包裹有二维层状材料片层的锥台状针尖的立体结构示意图；
图6为本发明实施例的包裹有二维层状材料片层的锥台状针尖的俯视结构示意图；
图7和图8为本发明一实施例的锥状针尖撞断前后的扫描电镜照片；
图9为本发明一实施例的包裹有石墨片层的锥台状针尖的扫描电镜照片；
图10为本发明一实施例的包裹有石墨片层的锥台状针尖的透射电镜照片；
图11为本发明一实施例的包裹有石墨片层的锥台状针尖的高分辨率透射电镜照片；
图12为本发明一实施例的包裹有石墨片层的锥台状针尖的拉曼光谱测试图；
图13为本发明一实施例的包裹有氮化硼片层的锥台状针尖的透射电镜照片；
图14为本发明一实施例的包裹有二硫化铼片层的锥台状针尖的透射电镜照片；
图15为本发明一实施例的包裹有二硫化钼片层的锥台状针尖的透射电镜照片；
图16为本发明一实施例的包裹有石墨片层的锥台状针尖与六方氮化硼层间摩擦系数测试数据图；
图17为本发明一实施例的通过原子力显微镜获得的包裹有六方氮化硼层的锥台状针尖与六方氮化硼原子级分辨率层间侧向力图像；
图18为本发明一实施例的包裹有石墨片层的锥台状针尖与六方氮化硼层间摩擦力随摩擦副相对转角的测试数据图。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明中提到的“层状材料”指具有层状晶体结构的材料，而非限定材料的宏观形状。优选的，所述层状材料的原子层间通过范德华力相连，易于解离或剥离。层状材料可以列举但不限于石墨、氮化硼、二硫化钼、二硫化钽和二硫化铼。
请参阅图1，本发明实施例提供一种二维层状材料包裹原子力显微镜探针，包括悬臂10，从所述悬臂10表面突出的锥台状针尖20，以及包裹在所述锥台状针尖20的顶面22和至少部分侧面24的二维层状材料片层30。
所述锥台状针尖20的形状可以为圆锥台或棱锥台，优选为圆锥台。所述锥台状针尖20的底面与所述顶面22相对设置，所述底面设置在所述悬臂10表面，优选为设置在所述悬臂10的侧面的一端。所述顶面22用于与待扫描的表面相对设置。所述顶面22的形状可以为圆形、椭圆形或多边形。
所述二维层状材料片层30直接包裹在所述顶面22和侧面24。优选的，所述锥台状针尖20的顶面22与所述二维层状材料片层30之间具有较强的分子间力，例如范德华力，使得两者可以稳定而牢固的结合。所述锥台状针尖20的顶面22优选具有悬挂键，从而使所述顶面22与所述二维层状材料片层30之间的范德华力更强。在一实施例中，所述锥台状针尖20的材料为单晶硅，所述顶面22为新鲜的单晶硅表面，所述悬挂键为硅的悬挂键。所述锥台状针尖20的顶面22优选具有较大表面积，从而使所述顶面22与所述二维材料片层30之间具有较大的结合面积，使得两者结合更为稳定。在一实施例中，所述顶面22的长度或直径优选为100纳米至300纳米。所述顶面22的长度是指当所述顶面22为非圆形时从一端到另一端的最长距离。优选的，所述顶面22具有较大的粘附力用于与所述二维层状材料片层30结合。为使所述顶面22具有新鲜表面且具有悬挂键，所述顶面22可以为通过将传统的锥状针尖顶端折断形成的新鲜断裂面，或者通过对锥状针尖刻蚀去除顶端后形成的新鲜刻蚀面，或者通过将锥状针尖摩擦去除顶端后形成的新鲜摩擦面。这些方法均能够去除材料表面的氧化物薄膜，使材料表面形成大量悬挂键，这些悬挂键在空气中会与氧气反应，因此优选的，在形成悬挂键后应尽快将所述锥台状针尖20顶端包裹所述二维层状材料片层30。
所述二维层状材料片层30来自层状材料，是从所述层状材料的解理面剥离的一层或多次重叠的原子层。优选的，所述二维层状材料片层30具有单晶结构，使所述二维层状 材料包裹原子力显微镜探针能够用于构建单晶接触状态下同质/异质结构层间摩擦测量体系。所述二维层状材料片层30选自但不限于石墨片层、氮化硼片层、二硫化钼片层、二硫化钽片层和二硫化铼片层中的至少一种。所述二维层状材料片层30的面积与所述锥台状针尖20的顶端尺寸匹配，能够包裹所述锥台状针尖20的顶面22和至少部分侧面24。所述二维层状材料片层30的厚度优选为10纳米至70纳米；大小优选为1μm×1μm至10μm×10μm，更优选为5μm×5μm至10μm×10μm。
请参阅图2及图3，本发明实施例还提供一种二维层状材料包裹原子力显微镜探针的制备方法，包括：
S1，提供表面为解理面34的层状材料32，所述解理面34的局部具有二维层状材料片层30，使所述解理面34呈台阶状；
S2，提供从悬臂10表面突出的锥台状针尖20，所述二维层状材料片层30的面积大于所述锥台状针尖20的顶面22；
S3，使所述锥台状针尖20的所述顶面22与被加热的所述二维层状材料片层30接触，并通过所述锥台状针尖20对所述二维层状材料片层30施加载荷；以及
S4，在施加所述载荷的条件下使所述锥台状针尖20在所述二维层状材料片层30表面来回往复摩擦，从而使所述二维层状材料片层30在热辅助条件下从所述层状材料32中剥离，并包裹所述锥台状针尖20。
所述层状材料32可以设置在支撑基底40表面。在一实施例中，所述支撑基底40为二氧化硅基底。所述层状材料32的原子层间通过范德华力相连，易于解离或剥离。所述层状材料32可以列举但不限于石墨、氮化硼、二硫化钼、二硫化钽和二硫化铼中的至少一种。所述解理面34例如可以通过机械剥离的方法形成。在一实施例中，可以用胶带粘附所述层状材料32的表面，揭去胶带的同时可以使层状材料片层从所述层状材料32中剥离，从而形成所述解理面34。优选的，所述解理面34为新鲜形成的解理面，以避免所述解理面34被其他物质污染。由于层状材料本身的晶格缺陷，所述解理面34在形成的过程中原子层不会完整的被剥离，而是会在解理面34的局部残留一些二维层状材料片层30，使所述解理面34形成台阶状结构。这些二维层状材料片层30呈岛状分布在所述解理面34的局部区域，与层状材料32的本体仍然通过范德华力稳定的连接。
为了实现完整和稳定的包裹，在进行步骤S3前需要在所述解理面34寻找面积合适的二维层状材料片层30。所述二维层状材料片层30的面积大于所述锥台状针尖20的顶面22，但不能太大。面积过大的二维层状材料片层30难以通过与所述锥台状针尖20往复摩擦的方式被剥离并包裹所述锥台状针尖20。所述二维层状材料片层30的大小优选为 1μm×1μm至10μm×10μm，更优选为大小为5μm×5μm至10μm×10μm。所述二维层状材料片层30的厚度为纳米级，优选为10纳米至70纳米，也就是说所述台阶状的解理面34的台阶高度为纳米级，优选为10纳米至70纳米。为在所述解理面34寻找合适的二维层状材料片层30，可通过现有的原子力显微镜探针，或者优选的将所述锥台状针尖20作为原子力显微镜探针，扫描所述解理面34的表面。通过原子力显微镜实时生成解理面34表面形貌的图像，以确认合适的二维层状材料片层30的位置。另外，通过原子力显微镜探针对解理面34表面进行扫描可以选择形貌规整且无缺陷的二维层状材料片层30，实验表明后续的机械剥离和包裹步骤对二维层状材料片层30的质量几乎无影响，因此可以容易的避免在最终得到的探针表面的二维层状材料片层30中存在较多缺陷。
在一实施例中，所述步骤S3和S4可以通过将所述锥台状针尖20作为原子力显微镜探针，并通过原子力显微镜控制所述探针在已定位的所述二维层状材料片层30表面扫描实现。优选的，在步骤S3和S4的过程中，所述层状材料处于被加热状态，有利于促使所述二维层状材料片层30更容易的被所述锥台状针尖20剥离并包裹所述锥台状针尖20。所述加热温度优选为150℃至200℃。
在步骤S3和S4中，所述悬臂10基本平行与所述解理面34表面，并垂直于所述来回往复摩擦的移动方向，通过锥台状针尖20的顶面22与所述二维层状材料片层30之间的摩擦力，使所述二维层状材料片层30从所述层状材料32的本体上剥离并卷曲，从而包裹在所述锥台状针尖20的顶面22和至少部分侧面24，所述剥离和包裹的过程几乎同步发生。所述锥台状针尖20的顶面22压在所述二维层状材料片层30上，通过施加所述载荷同时进行来回往复摩擦，可以增加所述摩擦力，所述载荷优选为500nN至800nN，更优选为500nN。所述锥台状针尖20在所述二维层状材料片层30相对的两端之间来回往复摩擦。所述锥台状针尖20相对于所述二维层状材料片层30来回往复摩擦的频率优选为5Hz至10Hz，所述来回往复摩擦的幅度与所述二维层状材料片层30的长度相等。在一实施例中，所述二维层状材料片层30的长度为8微米，所述来回往复摩擦的幅度为8微米。
优选的，所述步骤S2进一步包括制备所述锥台状针尖20的步骤。可以理解，为了使所述二维层状材料片层30能够顺利的从所述层状材料32中剥离，并且与锥台状针尖20的顶面22形成稳定牢固的结合，所述锥台状针尖20的顶面22优选为新鲜表面，具有较多的悬挂键。在一实施例中，所述锥台状针尖20的制备步骤包括：
S21，提供从所述悬臂10表面突出的锥状针尖；以及
S22，去除所述锥状针尖的尖端从而得到所述锥台状针尖20。
所述锥状针尖的尖端的直径例如为10纳米至20纳米。所述去除优选是通过机械法或 化学法去除，通过去除锥状针尖的尖端形成所述顶面22，可以使锥状针尖内部的材料暴露出来，使所述顶面22为新鲜表面，从而形成大量悬挂键。这些悬挂键在空气中会与氧气反应，因此制备锥台状针尖20的步骤优选在步骤S3之前即时进行，更优选的在所述步骤S3和S4的同一腔室中进行，避免顶面22与氧反应形成氧化膜。
在优选的实施例中，所述锥状针尖26的材料为硅，硅针尖的表面容易形成氧化硅薄膜，通过去除尖端28的方式形成所述锥台状针尖20，可以使硅暴露在所述顶面22，形成大量硅的悬挂键。
请参阅图4A至图4C以及图5和图6，在一实施例中，所述步骤S22包括：
S221，提供硬质基底，所述硬质基底具有第一表面，在所述硬质基底远离所述第一表面的一侧设置有可膨胀材料50，优选的，所述硬质基底与所述层状材料32为同一基底，所述第一表面为所述解理面34；
S222，将所述锥状针尖26正对所述第一表面34并间隔预定距离设置；以及
S223，通过加热使所述可膨胀材料50受热膨胀，从而使所述硬质基底与所述锥状针尖26相撞，使所述锥状针尖26的尖端28断裂，从而得到所述顶面22为新鲜断裂面且具有所述悬挂键的所述锥台状针尖20。
可以理解，所述硬质基底与所述层状材料32也可以为不同基底，只要能够具有一定强度，通过撞击使所述锥状针尖26的尖端28断裂即可。优选直接使用所述层状材料32作为所述硬质基底撞击所述锥状针尖26，更优选采用所述二维层状材料片层30作为与所述锥状针尖26的尖端28直接接触的区域，从而在撞断所述锥状针尖26后可以马上利用形成的锥台状针尖20的顶面22对所述二维层状材料片层30进行摩擦，即原位的进行后续步骤S3和S4，从而最大限度的避免悬挂键与氧反应，或者引入其他污染物，另外还可以简化操作步骤，容易实现。
在所述步骤S222中，所述预定距离优选为几微米至十几微米。所述间隔的距离与可膨胀材料50受热膨胀后的体积变化有关，只要能够使所述可膨胀材料50受热膨胀后将所述硬质基底，例如所述层状材料32顶向所述锥状针尖26的尖端28并撞断所述尖端28即可。
所述可膨胀材料50可以设置在硬质基底的另一表面，优选设置在所述支撑基底40的另一表面。所述可膨胀材料50可以通过加热而产生体积膨胀，且膨胀较为迅速，从而产生一定的冲击力，使所述硬质基底，例如所述层状材料32对所述锥状针尖26的撞击力足够大。在一实施例中，所述可膨胀材料50例如可以选择为膨胀点温度为150℃至200℃的银胶。
当所述硬质基底为所述层状材料32时，加热可膨胀材料50的同时可以使所述层状材料32一起被加热，加热过程既使得层状材料32与锥状针尖26相撞形成锥台状针尖20，又使得层状材料32中的污染物或水分子等被去除，使层状材料32更加清洁，变得易于剥离，利于后续步骤S3和S4的进行，进一步简化了操作步骤。所述步骤S223的加热温度优选为150℃至200℃。
请参阅图7和图8，在一实施例中，所述锥状针尖26为硅针尖，尖端直径为16纳米，撞断后形成锥台状针尖20的顶面22的直径约为150纳米。在一实施例中，所述层状材料32为石墨，所述二维层状材料片层30为纳米级厚度的石墨片层。通过所述步骤S3和S4将石墨片层包裹在撞断的锥台状硅针尖上，请参阅图9和图10，可以看到石墨片层基本平整且完整的包裹所述锥台状硅针尖的顶面22和至少部分侧面。请参阅图11和图12，对顶面22的局部区域进行高分辨率透射电镜和拉曼光谱测试，图12为包裹在针尖上的石墨片层拉曼光谱测试数据和硬质基底上的石墨片层拉曼光谱测试数据。拉曼光谱可以揭示石墨sp2原子的面内振动，碳原子的堆叠方式以及结构缺陷等信息。石墨的典型拉曼峰分别位于1580cm-1附近的G峰和2700cm-1附近的2D峰。G峰产生于sp2原子的面内振动，而2D峰则是源于二阶双共振拉曼散射过程。拉曼光谱中通常利用G峰和2D峰的比值来作为判断石墨/石墨烯层数的依据，其中G峰比2D峰强度大，则为石墨，反之为石墨烯。另外石墨中的缺陷会反映在1350cm-1附近的D峰上，而本发明实施例的测试结果未发现D峰的存在，表明包裹到针尖上的石墨片层几乎没有缺陷。
在另一实施例中，所述层状材料32为六方氮化硼，所述二维层状材料片层30为纳米级厚度的氮化硼片层。请参阅图13，可以看到本发明实施例的所述方法对六方氮化硼同样适用，形成完整包裹六方氮化硼片层的锥台状硅针尖。
在另一实施例中，所述层状材料32为二硫化铼，所述二维层状材料片层30为纳米级厚度的二硫化铼片层。请参阅图14，可以看到本发明实施例的所述方法对二硫化铼同样适用，形成完整包裹二硫化铼片层的锥台状硅针尖。
在另一实施例中，所述层状材料32为二硫化钼，所述二维层状材料片层30为纳米级厚度的二硫化钼片层。请参阅图15，可以看到本发明实施例的所述方法对二硫化钼同样适用，形成完整包裹二硫化钼片层的锥台状硅针尖。
可以理解，所述锥台状针尖20不限于通过上述撞断的方式形成。在另一实施例中，可以通过机械摩擦所述锥状针尖26的尖端28，从而去除所述尖端28，得到所述顶面22为新鲜摩擦面并具有所述悬挂键的所述锥台状针尖20。在另一实施例中，可以通过化学法去除所述尖端28，例如通过化学刻蚀去除所述锥状针尖26的尖端28，得到所述顶面22 为新鲜刻蚀面并具有所述悬挂键的所述锥台状针尖20。
本发明提供的二维层状材料包裹原子力显微镜探针及其制备方法利用锥台状针尖的顶面提供与二维层状材料片层较大的接触面积，在施加载荷的同时来回往复摩擦，使所述二维层状材料片层从所述层状材料中剥离，并稳定而牢固的包裹所述锥台状针尖。所述探针的制备方法简单方便，且为一种热辅助机械剥离转移过程，二维层状材料片层可以预先选定，且不限于石墨材料，而可以拓展至层间通过范德华力连接的层状晶体结构的材料，制备过程中不会引入缺陷，使得到的探针非常适用于摩擦学领域，特别是用于同质或异质层间摩擦特性的研究，可进行原子级层间侧向力分析。
本发明实施例还提供一种所述的二维层状材料包裹原子力显微镜探针的应用方法，利用所述原子力显微镜探针获得与所述二维层状材料片层30同质材料或异质材料的摩擦特性，尤其是单晶接触状态下的层间摩擦特性。所述摩擦特性包括但不限与摩擦系数，原子级层间侧向力，和原子级层间侧向力与晶格取向之间的关系。
在一实施例中，可以通过以下步骤获得摩擦系数，包括：
将所述二维层状材料包裹原子力显微镜探针与所述同质材料或异质材料相对摩擦；
获得所述二维层状材料包裹原子力显微镜探针在不同载荷下与所述同质材料或异质材料之间的摩擦力；以及
通过所述摩擦力随载荷变化曲线的斜率获得所述摩擦系数。
具体的，在所述施加有第一载荷的探针与所述同质或异质材料相对摩擦的过程中，可以通过原子力显微镜获得探针侧向扭转的第一组电压信号，并通过第一组电压信号获得第一层间摩擦力。然后改变载荷大小，获得第二载荷对应的第二组电压信号，并通过第二组电压信号获得第二层间摩擦力。以此类推，获得一系列不同载荷与不同摩擦力的对应关系，从而建立所述摩擦力随载荷变化曲线，所述曲线的斜率为所述二维层状材料片层与所述同质材料或异质材料之间的摩擦系数。
所述同质材料指与所述二维层状材料片层相同的材料，例如当所述二维层状材料片层30为石墨片层时，同质材料为石墨或石墨烯。所述异质材料指与所述二维层状材料片层不同的材料，例如当所述二维层状材料片层30为石墨片层时，异质材料可以为氮化硼片层、二硫化钼片层、二硫化钽片层和二硫化铼片层中的至少一种。优选的，所述二维层状材料片层30和所述同质材料或异质材料均为单晶材料，从而构建单晶对摩摩擦体系。
请参阅图16，在一实施例中，所述二维层状材料片层30为单晶石墨片层，使用原子力显微镜将包裹有单晶石墨片层的针尖与六方氮化硼进行对摩测试，载荷从0nN逐渐增加至400nN，从图16中可以看到两者之间的摩擦力在不同载荷下均接近0nN，处于超滑状态， 经计算包裹单晶石墨片层的针尖和六方氮化硼层间摩擦系数低至0.0001，同时也证明所述二维层状材料片层30牢固稳定的包裹在所述针尖表面，为单晶结构且几乎无缺陷。并且经实验发现，本发明实施例的所述探针在环境湿度为60％时仍然可以实现超滑，具有极强的耐磨损性能。
在另一实施例中，可以使用所述二维层状材料包裹原子力显微镜探针对摩擦副原子级侧向力进行测试，包括将所述二维层状材料包裹原子力显微镜探针与所述同质材料或异质材料相对摩擦；以及通过原子力显微镜获得原子级分辨率层间侧向力图像。
请参阅图17，在一实施例中，所述二维层状材料片层30为二硫化铼片层，将包裹有二硫化铼片层的针尖与同质材料二硫化铼相对摩擦，获得二硫化铼片层与同质材料相对摩擦的原子级分辨率层间侧向力图像，首次观察到二硫化铼层间摩擦力极值呈六角形分布的图像。
在另一实施例中，可以使用所述二维层状材料包裹原子力显微镜探针对摩擦副原子级侧向力与晶格取向之间的关系进行测试，包括将所述二维层状材料包裹原子力显微镜探针与所述同质材料或异质材料沿不同方向相对摩擦；以及获得所述二维层状材料包裹原子力显微镜探针与所述同质材料或异质材料之间的不同方向上的摩擦力。
请参阅图18，在一实施例中，所述二维层状材料片层30为石墨片层，将包裹有石墨片层的针尖与所述六方氮化硼相对摩擦，通过旋转六方氮化硼所在的基底，沿多个方向相对摩擦，实验上首次发现所述石墨片层与所述异质材料氮化硼之间的摩擦力不随着摩擦副的相对转角变化而变化。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (21)
- 一种二维层状材料包裹原子力显微镜探针，其特征在于，包括：悬臂；从所述悬臂表面突出的锥台状针尖；以及包裹在所述锥台状针尖的顶面和至少部分侧面的二维层状材料片层。
- 根据权利要求1所述的二维层状材料包裹原子力显微镜探针，其特征在于，所述二维层状材料片层为单晶结构。
- 根据权利要求1所述的二维层状材料包裹原子力显微镜探针，其特征在于，所述二维层状材料片层选自石墨片层、氮化硼片层、二硫化钼片层、二硫化钽片层和二硫化铼片层中的至少一种。
- 根据权利要求1所述的二维层状材料包裹原子力显微镜探针，其特征在于，所述锥台状针尖的所述顶面为断裂面、刻蚀面或摩擦面。
- 根据权利要求1所述的二维层状材料包裹原子力显微镜探针，其特征在于，所述锥台状针尖的材料为单晶硅。
- 根据权利要求1所述的二维层状材料包裹原子力显微镜探针，其特征在于，所述二维层状材料片层与所述锥台状针尖通过范德华力结合。
- 一种根据权利要求1至6中任一项所述的二维层状材料包裹原子力显微镜探针的应用，其特征在于，用于获得与所述二维层状材料片层同质材料或异质材料的层间摩擦特性。
- 根据权利要求7所述的二维层状材料包裹原子力显微镜探针的应用，其特征在于，包括将所述二维层状材料包裹原子力显微镜探针与所述同质材料或异质材料相对摩擦，构建单晶对摩摩擦体系，获得所述二维层状材料包裹原子力显微镜探针在不同载荷下与所述同质材料或异质材料之间的摩擦力，通过所述摩擦力随载荷变化曲线的斜率获得所述摩擦系数。
- 根据权利要求7所述的二维层状材料包裹原子力显微镜探针的应用，其特征在于，包括使用所述二维层状材料包裹原子力显微镜探针获得单晶石墨片层与单晶氮化硼之间的摩擦力与摩擦副的相对转角的关系，所述单晶石墨片层与所述单晶氮化硼异质结构之间的摩擦力不随摩擦副的相对转角变化而变化。
- 根据权利要求7所述的二维层状材料包裹原子力显微镜探针的应用，其特征在于， 包括使用所述二维层状材料包裹原子力显微镜探针获得二硫化铼片层与同质材料之间原子级分辨率层间侧向力图像。
- 一种二维层状材料包裹原子力显微镜探针的制备方法，包括：提供表面为解理面的层状材料，所述解理面的局部具有二维层状材料片层，使所述解理面呈台阶状；提供从悬臂表面突出的锥台状针尖，所述二维层状材料片层的面积大于所述锥台状针尖的顶面；使所述锥台状针尖的所述顶面与被加热的所述二维层状材料片层接触，并通过所述锥台状针尖对所述二维层状材料片层施加载荷；以及在施加所述载荷的条件下使所述锥台状针尖在所述二维层状材料片层表面来回往复摩擦，从而使所述二维层状材料片层在热辅助下从所述层状材料中剥离，并包裹所述锥台状针尖。
- 根据权利要求11所述的二维层状材料包裹原子力显微镜探针的制备方法，其特征在于，所述提供从悬臂表面突出的锥台状针尖的步骤包括：提供从所述悬臂表面突出的锥状针尖；以及去除所述锥状针尖的尖端从而得到所述顶面为新鲜表面的所述锥台状针尖。
- 根据权利要求12所述的二维层状材料包裹原子力显微镜探针的制备方法，其特征在于，所述去除所述锥状针尖的尖端的步骤包括：提供硬质基底，所述硬质基底具有第一表面，在所述硬质基底远离所述第一表面的一侧设置有可膨胀材料；将所述锥状针尖正对所述第一表面并间隔预定距离设置；在热辅助条件下使所述可膨胀材料受热膨胀，从而使所述硬质基底与所述锥状针尖相撞，使所述锥状针尖的尖端断裂，从而得到所述顶面为新鲜断裂面的所述锥台状针尖。
- 根据权利要求13所述的二维层状材料包裹原子力显微镜探针的制备方法，其特征在于，所述硬质基底为所述层状材料，所述第一表面为所述解理面。
- 根据权利要求13所述的二维层状材料包裹原子力显微镜探针的制备方法，其特征在于，所述预定距离为几微米至十几微米。
- 根据权利要求13所述的二维层状材料包裹原子力显微镜探针的制备方法，其特征在于，所述加热温度为150℃至200℃。
- 根据权利要求12所述的二维层状材料包裹原子力显微镜探针的制备方法，其特征在于，所述去除所述锥状针尖的尖端的步骤包括：刻蚀去除所述锥状针尖的尖端，得到所述顶面为新鲜刻蚀面的所述锥台状针尖；或者机械摩擦去除所述锥状针尖的尖端，得到所述顶面为新鲜摩擦面的所述锥台状针尖。
- 根据权利要求11所述的二维层状材料包裹原子力显微镜探针的制备方法，其特征在于，所述施加载荷的大小为500nN至800nN。
- 根据权利要求11所述的二维层状材料包裹原子力显微镜探针的制备方法，其特征在于，所述回往复摩擦的幅度对应于所述二维层状材料片层的尺寸。
- 根据权利要求11所述的二维层状材料包裹原子力显微镜探针的制备方法，其特征在于，所述锥台状针尖的顶面具有悬挂键。
- 根据权利要求11所述的二维层状材料包裹原子力显微镜探针的制备方法，其特征在于，所述锥台状针尖的材料为单晶硅，所述顶面为单晶硅表面。
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