與金剛石共價(jià)鍵合的垂直石墨烯片的超高機(jī)械強(qiáng)度

垂直石墨烯片 (VGs) 共價(jià)鍵合到金剛石基底上，可以表現(xiàn)出超高的機(jī)械強(qiáng)度，防止刮擦、摩擦和壓縮和壓縮方面具有超高的機(jī)械魯棒性。

近日，上海交通大學(xué)沈彬沈彬教授等相關(guān)研究人員使用金剛石探針進(jìn)行了 AFM 測(cè)試，以研究在金剛石基底上制造的 VGs 薄膜的界面力學(xué)性能。VGs與金剛石之間獨(dú)特的鍵合結(jié)構(gòu)，具有超強(qiáng)的C-C共價(jià)鍵，即使在高達(dá)53.7 GPa的接觸壓力下，也能有效抑制VGs從金剛石基底上拔起。盡管在超過(guò) 25 GPa 的接觸壓力下石墨烯片不可避免地?cái)嗔?，但斷裂的石墨烯片殘留物仍然可以作為機(jī)械堅(jiān)固的 VGs 薄膜，它們保留了它們與金剛石基底的共價(jià)鍵。此外，在長(zhǎng)時(shí)間 AFM 摩擦試驗(yàn)中，VGs 的摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.03左右，比磨損率低至2.0 × 10?4 mm3/Nm，幾乎可以忽略。由于相鄰石墨烯片之間的相對(duì)滑動(dòng)被 VGs 和金剛石基底之間的界面共價(jià)C-C鍵抑制，壓縮后的壓縮的 VGs 薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)轺[片狀結(jié)構(gòu)，由致密堆疊的石墨烯片組成，內(nèi)部形成一定濃度的sp3 鍵(高達(dá)8%)。這種結(jié)構(gòu)具有極高的彈性模量和抗壓強(qiáng)度，主要?dú)w功于VGs在摩擦和壓縮時(shí)表現(xiàn)出的超高穩(wěn)定性和可持續(xù)性。本研究提出的研究結(jié)果有望促進(jìn) VGs 和金剛石在電子、光學(xué)、機(jī)械和摩擦學(xué)領(lǐng)域的結(jié)合使用。

相關(guān)研究成果以“ Ultrahigh mechanical robustness of vertical graphene sheets covalently bonded to diamond” 為題，發(fā)表在Carbon 上。（https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.09.046）

圖1. 與金剛石基體共價(jià)結(jié)合生長(zhǎng)的 VGs 的表征。

(A) 生長(zhǎng) VGs 邊界附近區(qū)域的 SEM 圖像。插圖是生長(zhǎng)的 VGs 的頂視圖 SEM 圖像。(B) 從裸金剛石和生長(zhǎng)的 VGs 表面獲得的拉曼光譜。(C) AFM 形貌以及 VGs 邊界的 2D 表面輪廓交叉，標(biāo)記為白色虛線，從中測(cè)量到的生長(zhǎng) VGs 的高度為 200 nm。(D) 生長(zhǎng)的石墨烯納米片的測(cè)量高度和長(zhǎng)度分布。

圖2. AFM 劃痕測(cè)試

圖3. VGs 邊緣 AFM 劃痕的 MD 模擬。

(A) 仿真模型說(shuō)明。(B) 當(dāng)金剛石尖端以各種法向載荷掃描時(shí)，頂層石墨烯納米片的斷裂。(C) 在兩個(gè)周期的劃痕模擬 (400 nN) 期間六個(gè)典型時(shí)刻的快照。

圖4. 100 次循環(huán) AFM 劃痕測(cè)試的結(jié)果

圖5. AFM 摩擦測(cè)試

圖6. VGs表面平?jīng)_壓痕的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7. 石墨烯-金剛石共價(jià)異質(zhì)結(jié)構(gòu)在壓縮下的響應(yīng)

審核編輯 ：李倩