基于原子力顯微鏡的黑磷和酞菁銅機械性能實驗研究.pdf

1、黑磷因其獨特的結構和優(yōu)異的性能，以及其可隨厚度改變的直接帶隙，被認為是繼石墨烯之后下一代電子器件中最具應用潛力的材料。而同為納米材料，酞菁銅的結構及能級特點也決定了其諸多優(yōu)良的光電特性，且其層狀晶型結構使得酞菁銅在探索新的彈性模量測試理論模型中有著無法比擬的優(yōu)勢。因此，研究黑磷和酞菁銅在納尺度下的機械性能，對于其今后在微/納機電系統(tǒng)(M/NEMS)中的應用具有重要的指導意義。
　　本文首先推導出適合于本實驗的納米壓痕和基于鐵摩辛科

2、彈性理論的三點彎曲理論模型，然后基于原子力顯微鏡搭建密閉樣品臺、濕度控制器等試驗平臺，并使用機械剝離法制備黑磷薄膜以及使用真空沉積法和轉移法制備懸浮酞菁銅納米線樣品，借助光學顯微鏡判斷目標樣品的位置，拉曼光譜儀、掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡表征樣品的層數(shù)和尺寸參數(shù)，在測量其機械性能的同時并探索測試條件對目標參數(shù)的影響。
　　在研究黑磷的彈性模量時，發(fā)現(xiàn)在0～20μm/s的探針加載速度范圍內，對實驗結果幾乎沒有影響的;最大加載載荷在

3、0～2μN范圍內彈性模量隨著壓痕深度的減小，其值增加了約35％。研究黑磷薄膜的納米摩擦學性能時，發(fā)現(xiàn)褶皺效應使得四層黑磷的摩擦系數(shù)比二層黑磷的小，其摩擦力隨著發(fā)向載荷的增大而線性增大，并隨掃描速度的對數(shù)增加而非線性上升。黑磷鏈接狀的褶皺原子結構以及剛度的各向異性使二層黑磷薄膜以及體態(tài)黑磷的摩擦力均呈現(xiàn)180°的周期性變化。當法向載荷為2μN時，黑磷薄膜被劃破兩層，隨著載荷增加磨損加劇，直至20μN時，黑磷被完全劃穿。在對酞菁銅的彈性模量