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与金刚石共价键合的垂直石墨烯片的超高机械强度

倩倩 来源:深圳市赛姆烯金科技有限 作者:深圳市赛姆烯金科 2022-09-26 11:30 次阅读

垂直石墨烯片 (VGs) 共价键合到金刚石基底上,可以表现出超高的机械强度,防止刮擦、摩擦和压缩和压缩方面具有超高的机械鲁棒性。

近日,上海交通大学沈彬沈彬教授等相关研究人员使用金刚石探针进行了 AFM 测试,以研究在金刚石基底上制造的 VGs 薄膜的界面力学性能。VGs与金刚石之间独特的键合结构,具有超强的C-C共价键,即使在高达53.7 GPa的接触压力下,也能有效抑制VGs从金刚石基底上拔起。尽管在超过 25 GPa 的接触压力下石墨烯片不可避免地断裂,但断裂的石墨烯片残留物仍然可以作为机械坚固的 VGs 薄膜,它们保留了它们与金刚石基底的共价键。此外,在长时间 AFM 摩擦试验中,VGs 的摩擦系数稳定在0.03左右,比磨损率低至2.0 × 10−4 mm3/Nm,几乎可以忽略。由于相邻石墨烯片之间的相对滑动被 VGs 和金刚石基底之间的界面共价C-C键抑制,压缩后的压缩的 VGs 薄膜转变为鳞片状结构,由致密堆叠的石墨烯片组成,内部形成一定浓度的sp3 键(高达8%)。这种结构具有极高的弹性模量和抗压强度,主要归功于VGs在摩擦和压缩时表现出的超高稳定性和可持续性。本研究提出的研究结果有望促进 VGs 和金刚石在电子光学、机械和摩擦学领域的结合使用。

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相关研究成果以“ Ultrahigh mechanical robustness of vertical graphene sheets covalently bonded to diamond” 为题,发表在Carbon 上。(https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.09.046)

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图1. 与金刚石基体共价结合生长的 VGs 的表征。

(A) 生长 VGs 边界附近区域的 SEM 图像。插图是生长的 VGs 的顶视图 SEM 图像。(B) 从裸金刚石和生长的 VGs 表面获得的拉曼光谱。(C) AFM 形貌以及 VGs 边界的 2D 表面轮廓交叉,标记为白色虚线,从中测量到的生长 VGs 的高度为 200 nm。(D) 生长的石墨烯纳米片的测量高度和长度分布。

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图2. AFM 划痕测试

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图3. VGs 边缘 AFM 划痕的 MD 模拟

(A) 仿真模型说明。(B) 当金刚石尖端以各种法向载荷扫描时,顶层石墨烯纳米片的断裂。(C) 在两个周期的划痕模拟 (400 nN) 期间六个典型时刻的快照。

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图4. 100 次循环 AFM 划痕测试的结果

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图5. AFM 摩擦测试

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图6. VGs表面平冲压痕的实验结果

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图7. 石墨烯-金刚石共价异质结构在压缩下的响应

审核编辑 :李倩

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原文标题:研究 | 与金刚石共价键合的垂直石墨烯片的超高机械强度

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