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，卷:15(6)

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共价键和原子级塑性促进硅金刚石纳米触点的粘附LD乐动体育官网

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瑞尼Yuong英国贸易科学公司编辑部LD乐动体育官网电子邮件: (电子邮件保护)

摘要

纳米压痕和滑动研究是在真空中使用单晶硅原子力显微镜探针与金刚石表面接触的透射电子显微镜进行的。LD乐动体育官网实验测得的滑动后黏附量远高于纯范德华相互作用的预期值。此外，在滑动过程中，两种法向均增加了黏附功压力还有速度，证明这是可行的压力在界面响应中发挥了关键作用。进行了互补分子动力学(MD)模拟，以阐明在整个研究过程中发生的原子级事件。

的意见

纳米压痕和滑动的研究是在现场使用透射电子显微镜进行的，使用单晶硅原子力显微镜探针在真空中与金刚石表面接触。LD乐动体育官网实验测得的滑动后黏附量远高于纯范德华相互作用的预期值。此外，在滑动过程中，两种法向均增加了黏附功压力还有速度，证明这是可行的压力在界面响应中发挥了关键作用。进行了互补分子动力学(MD)模拟，以阐明在整个研究过程中发生的原子级事件。在采用不同粗糙度的晶体硅尖端和具有不同数量氢气终止的金刚石基底的模拟中，证明了两个重要的现象。共价键首先在界面上形成，键的数量受基体的氢终止、尖端粗糙度、外加应力和键形成的随机特征的影响。其次，对于初始毛头，滑动运动和剪切的应用压力导致不可逆原子尺度塑性的增加，这倾向于使尖端表面光滑，导致附着力的增加。另一方面，滑动使一些最初光滑的点变得粗糙。在极限下，经验确定的粘附功与MD模拟得到的原子光滑硅金刚石接触的本征范德华功相匹配LD乐动体育官网低应用压力。这些发现为滑动诱导的界面黏附变化提供了机制解释，这可能在涉及黏附界面的应用中有用，这些界面暴露于施加剪切力和位移的滑动。

摩擦、磨损、润滑和粘附等摩擦学现象普遍存在于日常生活中，在工业和研究中有很大的经济影响。硅和金刚石是摩擦学领域的两种重要材料，特别是在小规模应用中。在半导体和微机电系统(MEMS)工业中，硅是最常用的材料。硅在MEMS中的应用潜力然而，由于粘附、摩擦和磨损挑战引起的可靠性问题，只有少数利用接触面的MEMS器件已经商业化。LD乐动体育官网在制造或操作过程中需要接触表面的可靠MEMS设备(如数字反射镜设备和MEMS开关)的开发，需要适当的摩擦学工LD乐动体育官网程，将粘性考虑在内。钻石是人类已知的最坚硬的物质，具有极低的摩擦和磨损。因此，金刚石是需要高强度和耐磨性的应用研究的重要材料，如加工工具、机械密封、MEMS开关和AFM探针。在这些应用中，以及在使用金刚石工具的硅基产品的精密制造中，金刚石和硅之间可能发生接触。LD乐动体育官网本文介绍了硅纳米粗体在金刚石平面上滑动的原位透射电子显微镜(TEM)纳米压痕试验结果。在以指定的正常负载和速度沿表面滑动纳米粗糙体后，测量附着力。通常的联系方式LD乐动体育官网压力结果表明，滑动速度对粘着量有显著影响。在与金刚石表面的正常接触和滑动接触中，具有不同粗糙度的硅探针的MD模拟提供了对实验研究中可能发生的粘附性、可塑性和摩擦化学的原子级洞察。LD乐动体育官网

总的来说，MD模拟表明，尖端样品共价键是一种合理的机制，可以解释超过范德华极限的粘附值的实验结果，其值范围很广。然而，在模拟中看到的黏附增加的幅度并不像在测试中那样显著。在模拟和实验之间有一些显著的差异，这可以解释为什么模拟没有捕获到与观测相同程度的共价键形成。首先，试验的生命周期比模拟长很多个数量级。由于处理限制，模拟时间限制在1毫秒以内。实验/模拟的持续时间很重要，因为共价键是一个随机过程，需要足够的时间才能产生统计上显著的影响。其次，在滑动过程中，接触表面的粗糙度、氢终止和尖端尺寸都对界面键的形成有影响。LD乐动体育官网在测试中使用的表面的确切原子尺度性质无法确定。(3)滑动距离和滑动速度对尖端缩回点存在的界面共价键数有影响。由于计算的限制，MD滑动速度必须比实验快几个数量级。 The experimental methods utilised in this work is incapable of obtaining the speeds used in simulations, which are on the order of metres per second. It is not advisable to extrapolate from simulation results to conclusions about the speed dependency of covalent bonding in experiments since it is completely plausible that such high speeds may sample a different regime of the speed-dependence of adhesion. Furthermore, and probably more importantly, experimental speeds were varied over a two-order-of-magnitude range, which is far greater than the relative speed variation evaluated in the simulations. Given the tiny number of interfacial connections produced during sliding, the range of speeds explored in the simulations is unlikely to be large enough to detect any consistent adhesion trends.