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，卷:15(12)

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共价键与原子级塑性

乔·米勒^＊

*通信:

乔·米勒
英国《有机化学:印度期刊》编辑部
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摘要

利用透射电子显微镜和单晶硅原子力显微镜探针在真空中与金刚石表面接触，进行了原位纳米压痕和滑动实验。LD乐动体育官网实验测得的滑动后黏附功远远高于纯范德华相互作用的预期值。在滑动过程中，粘着功随法向张力和速度的增加而增加，说明应用压力在界面反应中发挥了重要作用。补充的MD模拟运行，以提供在研究期间发生的原子级事件的光。

简介

利用透射电子显微镜和单晶硅原子力显微镜探针在真空中与金刚石表面接触，进行了原位纳米压痕和滑动实验。LD乐动体育官网实验测得的滑动后黏附功远远高于纯范德华相互作用的预期值。在滑动过程中，粘着功随法向张力和速度的增加而增加，说明应用压力在界面反应中发挥了重要作用。补充的MD模拟运行，以提供光的原子级别的事件，发生在研究中。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、润滑和粘附都是日常生活的一部分，对工业和研究有重大的经济影响。在摩擦学中，硅和金刚石是两种至关重要的材料，特别是在小规模应用中。硅是应用最广泛的材料半导体微机电系统(MEMS)工业。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现实的机制，可以解释在宽范围内高于范德华极限的粘附值的实验结果。然而，在模拟中报告的黏附增加的幅度没有在测试中那么大。在模拟和测试之间有一些关键的变化，可以解释为什么模型没有捕捉到与观测相同水平的共价键形成。首先，试验持续时间比模拟持续时间长很多个数量级。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。 Third, the number of interfacial covalent bonds existing at the point of tip retraction is affected by sliding distance and sliding speed. The MD sliding speeds must be several orders of magnitude quicker than in experiments due to computational constraints. 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 advised to generalise conclusions regarding the speed dependence of covalent bonding in experiments from simulation results, as it is entirely possible that such high speeds sample a separate regime of adhesion speed dependence. Furthermore, and perhaps more critically, experimental speeds were varied over a two-order-of-magnitude range, much exceeding the relative speed variation considered in the simulations. Because there are so few interfacial connections formed during sliding, the simulations' speed range is unlikely to be large enough to identify any consistent adhesion tendencies.