碳纳米管的微观摩擦机理研究

由于碳纳米管中大部分原子位于表面，其微观摩擦特性对微纳米器件的制造和运行有重要影响。本课题拟以针尖推动碳纳米管在基底上运动、摩擦，探索碳纳米管的微观摩擦机理。采用分子动力学方法模拟针尖推动单壁碳纳米管和碳纳米管垂直阵列，分析摩擦力和压力的关系，澄清宏观摩擦系数的概念在微观摩擦领域的适用范围；模拟针尖推动理想、缺陷与刚性碳纳米管的摩擦行为，研究碳纳米管本身的结构和运动行为对摩擦力的影响，同时研究分子热力学行为对摩擦的影响，确定碳纳米管微观摩擦的主要来源；考察结构完整性、悬键缺陷，以及酸蚀、氟化等处理工艺对摩擦的影响，分析各类碳纳米管摩擦性能的区别和成因，研究界面作用的类型和强弱对摩擦力的影响，进一步探索原子尺度摩擦起源；最后采用原子力显微镜（AFM）操纵各类多壁碳纳米管，监测侧向电压信号，验证理论结果并力图为碳纳米管器件摩擦性能设计提供参考依据。

由于碳纳米管中大部分原子位于表面，其微观摩擦特性对微纳米器件的制造和运行有重要影响。本项目采用分子动力学模拟了单壁碳纳米管的运动、摩擦和能量耗散行为，并对多壁碳纳米管开展了相关的实验验证，同时项目也针对分子动力学模拟中温控方法的选择较为随意的情况，探讨了其合理选用。最终得到了如下结论。（1）由于碳纳米管的柔韧性强，其所受的微观摩擦力与载荷之间为非线性关系，摩擦系数的概念不再适用，但摩擦力的大小仍由实际接触面积决定，与宏观摩擦学的结论一致。（2）界面结构的公度、无公度显著影响碳纳米管的运动和摩擦行为。界面结构公度时单壁碳纳米管将出现垂直初始运动方向上的随机滑动，这一结果是对碳纳米管运动行为的有益补充。当碳纳米管表面存在缺陷时，界面公度结构会出现局部无公度，增大摩擦，而无公度时缺陷的存在未改变界面的无公度状态，碳纳米管的摩擦变化不大。（3）界面结构公度时碳纳米管所受的横向力呈周期性并且对称性破缺，对关键原子的分析表明横向力对称性的破缺由碳纳米管底部原子和石墨原子间的趋近-分离引起，这种对称性破缺是摩擦起源的机理之一。（4）模拟表明界面间仅存在范德华力作用时，碳纳米管表面接枝的羟基、F原子对摩擦的影响由界面间的接触状态决定，基团的数量与碳纳米管所受的摩擦力之间为非单调关系。界面间引入氢键和库仑力作用后碳纳米管所受的摩擦力显著增加，运动形式也转变为前期滑动，后期滚动。对比温度、速度对碳纳米管摩擦的影响后，确定界面结构和管壁表面的基团为碳纳米管微观摩擦的主要影响因素。由于一般情况下界面结构均为无公度，因此表面基团对碳纳米管摩擦的影响最大，这一结果解释了实验中操作化学处理后的碳纳米管时摩擦力明显大于理想时的现象。（5）初始、混酸处理后多壁碳纳米管水平薄膜的表面形貌和摩擦系数对比表明，碳纳米管表面的基团导致其摩擦力增大，验证了模拟结果。对Si基底和镀金Si基底上混酸处理后的碳纳米管的原子力显微镜操纵实验表明，界面间相互作用和基底表面形貌均对碳纳米管的摩擦存在显著影响。（6）针对温控方法的探讨表明相对Beredsen和Nose-Hoover热浴方法，Langevin温控方法引入了随机力和阻尼力，能够较快的减小系统弛豫平衡时的振荡，适用于碳纳米管微观摩擦力的研究，但Langevin方法对振荡起到平均化作用，因此在研究系统的振动时应采用其他方法，这一结果为温控方法的合理选用提供了参考。