原子力显微镜在纳米摩擦学中应用的进展

　　自80年代以来,一系列扫描探针显微镜和电子计算机的迅速发展,使人类实现了纳秒与数十纳米尺度的过程模拟[1],从工程和技术的角度,开始了 微观摩擦学研究[2],提出了分子摩擦学[3]和纳米摩擦学[4]的新概念.纳米摩擦学是摩擦学新的分支学科之一,它对纳米电子学、纳米材料学和纳米机械 学的发展起着重要的推动作用,而原子力显微镜在摩擦学研究领域的应用又将极大地促进纳米摩擦学的发展,不仅可以实现纳米级尺寸和纳牛级微力的测量,而且可 以得到三维形貌、分形结构、横向力和相界等信息,尤其重要的是还可以实现过程的测量,达到实验与测量的统一,是进行纳米摩擦学研究的一种有力手段.本文作 者对近年来国内外在应用原子力显微镜进行纳米摩擦学研究方面所取得的进展作一综合介绍与评述.

　　1　原子力显微镜的发展概况

　　原子力显微镜(AFM)也称扫描力显微镜(SFM),它是由Binnig等[5,6]在扫描隧道显微镜(STM)的基础上研制成功,且经 Neubauer等[7]进一步发展的,商品化的AFM都有测量摩擦力的配件.一般认为,摩擦力显微镜(FFM)或者横向力显微镜(LFM)就是AFM中 的一种[8].AFM的原理是基于原子线宽的探针尖端靠近平滑样品表面时,通过检测针尖原子与样品原子之间存在的微小斥力,实现样品表面的成像.如果在针 尖表面附上热电偶,则可以感应温度的变化,达到样品表面相界的成像.AFM的工作环境可以是真空[3]、气体[9]、电化学环境[10]、超高真空 [11]和溶液[12],样品可以是金属、半金属、半导体及绝缘体,基底可以是云母[13]、硅[14]、高取向热解石墨[15]、玻璃[16]、金 [17]和NaCl(0 0 1)[11]等.90年代以来,纳米摩擦学也受到国内学者的广泛关注[18～21].

　　2　纳米摩擦

　　利用AFM测出微观尺度上的摩擦因数比宏观上的低[22],对于在真空中的清洁表面,探针针尖上承受的作用力随着针尖划过的晶体表面呈光栅式周 期变化,表明摩擦力反映了体材料的形变性质[3].在大气中于不到1×10-4N的低载荷下,钨针尖在高取向的石墨表面划过时,发现摩擦力具有周期性,而 且当摩擦力超过临界值时,针尖在石黑表面突然产生滑动,这种粘滑现象具有与石墨表面晶格相同的周期性[23].

　　研究表明,钨针尖在白云母裂解基底上的摩擦力具有SiO4六边形的周期性,并且随法向力线性增大[13].分析认为,摩擦力不一定反映材料最终 失效的性能;相反,当滑动过程中界面存在弱的结合时,在无磨损发生的情况下,摩擦力随着基底材料相互运动而产生相应的周期性变化[3].

　　有人曾经就表面力(主要是范德华力)对摩擦的影响进行过比较深入的分析研究,发现在表面力的作用下,当两表面接近到临界距离时会突然出现一种动 力学不稳定现象,即两表面通过跳跃形成接触(jump to contact),即JC接触[24].文献[25]也曾报道了类似的快速接触(snap to contact),即SC接触.