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      與金剛石共價鍵合的垂直石墨烯片的超高機械強度

      關鍵詞 金剛石共價鍵合 , 石墨烯片|2022-09-23 08:54:32|技術信息|來源 Carbontech
      摘要 垂直石墨烯片(VGs)共價鍵合到金剛石基底上,可以表現出超高的機械強度,防止刮擦、摩擦和壓縮和壓縮方面具有超高的機械魯棒性。近日,上海交通大學沈彬沈彬教授等相關研究人員使用金剛石探...

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

             近日,上海交通大學沈彬沈彬教授等相關研究人員使用金剛石探針進行了 AFM 測試,以研究在金剛石基底上制造的 VGs 薄膜的界面力學性能。VGs與金剛石之間獨特的鍵合結構,具有超強的C-C共價鍵,即使在高達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 25 GPa 的接觸壓力下石墨烯片不可避免地斷裂,但斷裂的石墨烯片殘留物仍然可以作為機械堅固的 VGs 薄膜,它們保留了它們與金剛石基底的共價鍵。此外,在長時間 AFM 摩擦試驗中,VGs 的摩擦系數穩定在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滑動被 VGs 和金剛石基底之間的界面共價C-C鍵抑制,壓縮后的壓縮的 VGs 薄膜轉變為鱗片狀結構,由致密堆疊的石墨烯片組成,內部形成一定濃度的sp3 鍵(高達8%)。這種結構具有極高的彈性模量和抗壓強度,主要歸功于VGs在摩擦和壓縮時表現出的超高穩定性和可持續性。本研究提出的研究結果有望促進 VGs 和金剛石在電子、光學、機械和摩擦學領域的結合使用。

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

             圖文解讀

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      圖1. 與金剛石基體共價結合生長的 VGs 的表征

             (A) 生長 VGs 邊界附近區域的 SEM 圖像。插圖是生長的 VGs 的頂視圖 SEM 圖像。(B) 從裸金剛石和生長的 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,標記為白色虛線,從中測量到的生長 VGs 的高度為 200 nm。(D) 生長的石墨烯納米片的測量高度和長度分布。

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      圖2. AFM 劃痕測試

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      圖3. VGs 邊緣 AFM 劃痕的 MD 模擬

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

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      圖4. 100 次循環 AFM 劃痕測試的結果

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      圖5. AFM 摩擦測試

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      圖6. VGs表面平沖壓痕的實驗結果

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      圖7. 石墨烯-金剛石共價異質結構在壓縮下的響應

       

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