Наномасштабное трение графена на золоте: инсайты из молекулярно-динамических симуляций

Аннотация

В этой работе мы исследуем трение графитовых флаков, скользящих на золотом субстрате, используя молекулярно-динамические симуляции. Изучены эффекты размера флака, формы флака, относительного угла поворота между флаком и субстратом и кристаллической ориентации субстрата на процесс трения. Обнаружено, что при одинаковой нагрузке средние силы трения на атом меньше для большего графинового флака, что демонстрирует явный размерный эффект. Также показано, что форма флака критически важна в определении трения в процессе скольжения. Средние силы трения на атом для квадратного флака значительно больше, чем для треугольных и круглых флаков. Более того, средние силы трения на атом для треугольного флака являются наименьшими. Мы также обнаружили, что ориентация графинового флака относительно золотого субстрата играет жизненно важную роль в процессе трения. Силы трения для графинового флака, скользящего вдоль креслеобразного направления (armchair), значительно больше, чем для флаков с поворотом. Кроме того, установлено, что однохрустальный золотой субстрат демонстрирует значимый анизотропный эффект трения, который атрибутируется анизотропному эффекту волнистости потенциальной энергии. Эти понимания не только проливают свет на базовые механизмы скольжения графинового флака на золотых субстратах, но также могут направлять проектирование и фабрикацию наномасштабных графиновых устройств.

Введение

Графен — один из перспективных новых материалов для применения в наномасштабной электронике среди широкого спектра потенциальных приложений. В реальных графиновых электронных устройствах золото обычно используется для электрических контактов. Поэтому трение системы графен-золото играет важную роль в эффективной фабрикации и надежной эксплуатации таких графиновых устройств. Хотя графен привлек огромный интерес исследователей в области нанотрибологии благодаря своим отличным механическим свойствам, трение свойств графена, скользящего на золотой поверхности, слабо изучены. До сих пор многие трибологические исследования графена фокусируются на силе трения между графеном и зондом сканирующей зондовой микроскопии. Например, эксперименты АФМ по трению на химически модифицированном графите раскрыли отрицательный коэффициент трения. Эксперименты микроскопии силы трения (FFM) малослойного графена обнаружили, что трение увеличивается с уменьшением числа слоев графена. Эти феномены объясняются пукирующим эффектом графена. Предполагается, что трение между графиновым флаком и графитом измерялось как зонд тянул флак во время скольжения на графите. Обнаружено, что вращательное движение, связанное с поперечным движением флаков для слоистых твердых тел, приводит к увеличению трения из-за реориентации флака в комменсуратную конфигурацию. В то же время некоторые ученые также посвящали изучение трения графена и/или золота с использованием других техник. Кварцевая кристаллическая микровезы (QCM) применялась для изучения смазки золота на графене и трения твердой ксеноновой пленки на графен/Ni(111) субстрате. И QCM эксперименты, и МД симуляции показывают, что трение некомменсуратного Kr монослоя на Au следует вязкому закону трения. МД симуляции проводились для исследования статического трения двухмерных золотых островков и трехмерных золотых кластеров на графитовом субстрате. Обнаружено, что толщина ползуна может способствовать смазке из-за более высокой эффективной жесткости толстых кластеров. Размерно-зависимая интерфейсная комменсуратность также была раскрыта МД симуляциями ксеноновых атомов на графене и Au субстрате, согласуясь с симуляциями криптона и кремниевых кластеров на Cu субстрате, что может объяснить размерную зависимость статического трения. Недавно суперсмазка графиновых нанолент на Au(111) субстрате наблюдалась при низкой температуре. Kitt и др. напрямую измерили трение графена, скользящего над SiO₂ субстратом, и обнаружили, что трение поведения для однослойного и двухслойного графена нарушают закон Амонтона. В целом, как чистый двухмерный материал, разумно ожидать, что графен будет демонстрировать нетипичные трение поведения для системы графен-субстрат. К сожалению, детальное исследование скользящего трения графена над золотым субстратом все еще отсутствует, хотя интерфейсные свойства между графеном и металлами были систематически изучены.

Для заполнения этого пробела в этой работе скользящие трение поведения подвижных графиновых флаков над однохрустальным золотым субстратом тщательно изучаются с использованием молекулярно-динамических (МД) симуляций. Мы исследуем эффекты размера флака, формы флака, относительного угла поворота между флаком и субстратом и кристаллической ориентации субстрата для прояснения трения свойств.

Методы

Метод симуляции

Для симуляции эксперимента АФМ, где графиновый флак, присоединенный через пружину к зонду, скользит над золотым субстратом, мы устанавливаем МД модель, состоящую из графинового флака из N атомов и однохрустального золотого субстрата, см. рис. 1. Три слоя атомов внизу субстрата зафиксированы в пространстве для служения граничными атомами. Для контроля температуры системы четыре слоя атомов, прилегающие к граничным атомам в субстрате, выбираются как термостатные атомы. Термостатные атомы поддерживаются при постоянной температуре 300 К методом масштабирования скорости. В этой работе сначала мы не рассматриваем вращение графена во время скольжения; атомы в графене могут двигаться только в направлениях x и z, но ограничены в направлении y, что упрощает симуляции. Это основной фокус этой работы. Затем мы дополнительно проводим некоторые МД симуляции без ограничения движения графена в направлении y для лучшего соответствия реальным экспериментальным условиям. Атомы флака тянутся виртуальным атомом с постоянной скоростью через гармоническую пружину. Пружина, параллельная поверхности субстрата, имеет боковую жесткость 10 Н/м и используется для представления деформации консольной балки и вершины зонда АФМ системы. Постоянная нормальная нагрузка применяется напрямую к атомам флака в симуляциях. Графиновый флак тянется поперечно виртуальным атомом с постоянной скоростью 10 м/с. Уравнения движения интегрируются алгоритмом velocity-Verlet. Шаг по времени 1 фс. Границы периодичны в направлениях x и y, свободны в направлении z.

Для исследования эффекта кристаллической ориентации субстрата мы проводим МД симуляции скользящего трения на трех разных поверхностях Au(111), (001) и (110) плоскостей соответственно. Для Au(111) поверхности системы координат принимаются как x-[112̅], y-[11̅0] и z-[111] и размер 19,98 × 15,0 × 3,06 нм³. Для Au(001) поверхности системы координат принимаются как x-[100], y-[010] и z-[001] и размер субстрата 19,99 × 15,1 × 3,06 нм³. Для Au(110) поверхности системы координат принимаются как x-[001], y-[11̅0] и z-[110] и размер 19,99 × 15,0 × 3,03 нм³. Решетка расстояний вдоль направления скольжения для Au(111), Au(110) и Au(001) поверхностей составляют 9,99 Å, 4,08 Å и 4,08 Å соответственно. Если не указано иное, Au(111) принимается как субстрат. В симуляциях моделируются несколько разных размеров и форм флаков. Форма флака по умолчанию — квадрат размером 5,8 нм (число атомов N = 1344). x-ось направлена вдоль креслеобразного направления (armchair) графена, а y-ось — вдоль зигзагообразного направления (zigzag), с z-осью нормальной к графену.

Межатомные силы внутри Au выводятся из embedded atom method (EAM) потенциала. EAM потенциал был очень успешен в моделировании эластичных свойств, энергий формирования дефектов и механизмов разрушения различных металлов. Он также успешно применялся для описания поверхностных свойств металлов, таких как поверхностные энергии и поверхностные реконструкции. Широко используемый AIREBO потенциал применяется для описания взаимодействия атомов внутри графена. Взаимодействие между графеном и Au субстратом моделируется стандартным Леннард-Джонс (LJ) потенциалом, который использовался для изучения многих неравновесных феноменов, таких как трение и диффузия золотых кластеров на графите. LJ параметры: ε = 22,0 мэВ и σ = 2,74 Å. МД симуляции проводятся с использованием large-scale atomic/molecular massively parallel simulator (LAMMPS). В симуляциях графиновый флак изначально позиционирован над поверхностью Au субстрата. После полной релаксации трения системы виртуальный атом начинает скользить вдоль отрицательного направления x с постоянной скоростью.

Результаты и обсуждение

Рис. 2 показывает силу трения как функцию скользящего расстояния при различных нормальных нагрузках. В этой работе скользящее расстояние — это расстояние виртуального атома. Сила трения измеряется деформацией пружины, как в эксперименте АФМ. Графиновый флак имеет квадратную форму размером 5,8 нм, состоящую из 1344 атомов. Ясно, что силы трения испытывают непрерывное увеличение, за которым следуют резкие падения, что типично для stick-slip движения. Резкие падения силы трения приводят к диссипации энергии и подразумевают возникновение переходов между множественными метастабильными состояниями с локальными минимумами потенциальной энергии. Разумно, что сила трения увеличивается с нагрузкой L. Для изучения размерного эффекта принимаются еще два квадратных флака размером 2,0 нм (N = 160 атомов) и 10,0 нм (N = 3936 атомов). Вариация силы трения и средней силы трения для разных размеров флаков в процессе скольжения показана на рис. 3. Как для 5,8-нм флака, очевидное stick-slip трение также наблюдается для флаков 2,0 и 10 нм. Более того, явно существует размерный эффект в средней силе трения на атом F_fric/N, см. рис. 3c. При одинаковой нагрузке средние силы трения на атом F_fric/N больше для меньшего флака. Этот размерный эффект результатирует из постепенно убывающей роли краев в трении с увеличением размера флака. Следует отметить, что и QCM эксперименты, и МД симуляции обнаружили, что трение адсорбатных кластеров уменьшается с увеличением их размера, в согласии с нашими симуляциями. Однако размерная зависимость трения в QCM экспериментах и МД симуляциях объясняется размерно-зависимой интерфейсной комменсуратностью.

Поскольку форма ползуна играет значительную роль в определении трения, для дальнейшего изучения эффекта формы флака на процесс трения мы также моделируем процесс скользящего трения с использованием круглого графинового флака (N = 1080 атомов) и треугольного графинового флака (N = 654 атома). Рис. 4 показывает вариацию типичных сил трения и средних сил трения для разных форм флаков в процессе скольжения. Как показано на рис. 4a, b, при малых нагрузках (L = 20 нН для круглого флака и L = 10 нН для треугольного флака) сила трения флуктуирует вокруг нуля непрерывно и может быть замечена сверхнизкое трение (суперсмазка). Однако при больших нормальных нагрузках (L = 400 нН для круглого флака и L = 200 нН для треугольного флака) флак демонстрирует очевидное stick-slip движение и большую силу трения. При одинаковой нагрузке средние силы трения на атом F_fric/N наибольшие для квадратного флака и наименьшие для треугольного флака, тогда как F_fric/N для круглого флака находятся между ними. Более того, разница средних сил трения на атом F_fric/N между круглым и треугольным флаком довольно мала. Но F_fric/N для квадратного флака намного больше. Поэтому ясно, что форма флака играет жизненно важную роль в процессе скольжения.

Известно, что ориентация флака относительно субстрата также критически важна в определении трения. Для изучения эффекта ориентации на трение графиновый флак поворачивается против часовой стрелки на разные углы вокруг z-оси, перпендикулярной контакту. Угол поворота 0° (без поворота) соответствует ситуации, где x-ось направлена вдоль креслеобразного направления графена, в то время как угол поворота 90° соответствует ситуации, где x-ось направлена вдоль зигзагообразного направления. Вариация силы трения как функции скользящего расстояния для 5,8-нм квадратного флака с разными углами поворота при L = 240 нН показана на рис. 5. Соответствующие средние силы трения F_fric для разных углов поворота при разных нормальных нагрузках рассчитаны как показано на рис. 6. Очевидно, что для флаков с θ = 15° и θ = 45° силы трения флуктуируют вокруг нуля непрерывно и может быть замечена суперсмазка, см. рис. 5b, d. Более того, малое различие может быть замечено в средних силах трения для флаков с θ = 15° и θ = 45°, см. рис. 6. Однако для флаков с θ = 30°, 60° и θ = 90° флаки демонстрируют очевидное stick-slip движение и относительно большую силу трения. Кроме того, средняя сила трения больше для большего угла поворота для флаков с θ = 30°, 60° и θ = 90°. Силы трения для флаков с поворотом все намного меньше, чем для флака без поворота (θ = 0°).

Тот факт, что однохрустальное золото демонстрирует значительные анизотропные эффекты, побуждает нас дополнительно изучить эффект кристаллической ориентации субстрата на процесс трения. Мы провели МД симуляции для двух дополнительных комбинаций кристаллической ориентации и направления скольжения, то есть (001)[100] и (110)[001]. Сила трения и средняя сила трения F_fric 5,8-нм квадратного флака, скользящего на Au субстратах с разной кристаллической ориентацией, показаны на рис. 7 и 8 соответственно. Как ожидалось, сила трения увеличивается с нормальной нагрузкой. Можно увидеть, что при одинаковой нагрузке силы трения для Au(001) и Au(110) поверхностей больше, чем для Au(111) поверхности, и силы трения для Au(110) поверхности являются наибольшими.

Согласно хорошо известной модели Прандтля-Томлинсона, сила трения тесно связана с интерфейсной волнистостью энергии. Для изучения базовых механизмов за значительным анизотропным эффектом трения мы рассчитали взаимодействие потенциальной энергии между флаком и Au субстратом при изменении положения флака. Потенциальная энергия рассчитывается для жесткого флака на фиксированной высоте, соответствующей средней высоте для заданной нагрузки. Три типичных контурных графика, представляющие пространственную вариацию потенциальной энергии для Au(111), Au(110) и Au(001) поверхностей при L = 120 нН, показаны на рис. 9a–c соответственно. Для получения карт поверхности потенциальной энергии (PES) на рис. 9 мы используем 21 точку сетки вдоль обоих направлений x и y. На рис. 9 волнистости энергии, рассчитанные для Au(111), Au(110) и Au(001) составляют 3,5 эВ, 66,6 эВ и 29,1 эВ соответственно. На рис. 9a–c черная сплошная линия (y = 0) на картах PES используется для показа пути скольжения флака. Графен-золото взаимодействие потенциальной энергии вдоль пути скольжения для Au(111), Au(110) и Au(001) также изображены на рис. 9d–f соответственно. Волнистости энергии вдоль пути скольжения для Au(111), Au(110) и Au(001) на рис. 9 составляют 3,5 эВ, 59,7 эВ и 29,1 эВ соответственно. Можно четко увидеть, что амплитуда волнистости энергии показывает тот же анизотропный эффект, что и трение. Волнистость энергии для Au(001) и Au(110) поверхностей больше, чем для Au(111) поверхности, и волнистость энергии для Au(110) поверхности является наибольшей. Следовательно, это четко объясняет значительный анизотропный эффект трения в процессе скольжения. Нахождение, что сила трения уменьшается с уменьшением силы взаимодействия графен-субстрат (волнистость энергии), согласуется с МД симуляциями и QCM экспериментом.

Для лучшего соответствия реальным экспериментальным условиям мы дополнительно выполнили МД симуляции скользящего трения без ограничения движения графена в направлении y, в этом случае флак может вращаться и двигаться в направлении y. Рис. 10 показывает силу трения как функцию скользящего расстояния при различных нормальных нагрузках для графинового флака с квадратной формой и размером 5,8 нм, состоящего из 1344 атомов. Хотя значения силы трения изменились, можно увидеть, что силы трения испытывают непрерывное увеличение, за которым следуют резкие падения, что является очевидным stick-slip движением, похожим на рис. 2. Сила трения увеличивается с нагрузкой как ожидалось. Мы также изучили процесс трения еще двух квадратных графиновых флаков размером 2,0 нм (N = 160 атомов) и 10,0 нм (N = 3936 атомов) без ограничения движения графена в направлении y. Вариация силы трения и средней силы трения для разных размеров флаков в процессе скольжения показана на рис. 11. Аналогично рис. 3, мы также наблюдаем очевидное stick-slip трение для флаков 2,0 и 10 нм. Более того, существует размерный эффект в средней силе трения на атом F_fric/N, см. рис. 11c. При одинаковых нагрузках средние силы трения на атом F_fric/N больше для меньшего флака, что является типичным размерным эффектом трения. В целом, мы обнаружили, что основные выводы МД симуляций процесса трения с ограничением движения флака в направлении y сохраняются после снятия ограничения движения графинового флака в направлении y во время скольжения.

Заключение

В этой работе молекулярно-динамические симуляции используются для исследования скользящих трение поведений подвижных графиновых флаков над однохрустальным золотым субстратом. Эффекты размера флака, формы флака, относительного угла поворота и кристаллической ориентации субстрата тщательно изучены. Обнаружено, что существует размерный эффект в трении поведения. При одинаковой нагрузке средние силы трения на атом F_fric/N больше для меньшего графинового флака. Также установлено, что форма флака играет значительную роль в процессе трения. Средние силы трения на атом F_fric/N для квадратного флака намного больше, чем для треугольных и круглых флаков. Более того, средние силы трения на атом F_fric/N для треугольного флака являются наименьшими. Мы также обнаружили, что эффект ориентации графинового флака относительно Au субстрата критически важен в определении трения. Силы трения для графинового флака, скользящего вдоль креслеобразного направления, намного больше, чем для флаков с поворотом. Сверхнизкие силы трения могут быть замечены для флаков с θ = 15° и θ = 45°. Кроме того, сила трения больше для большего угла поворота для флаков с θ = 30°, 60° и θ = 90°. Вдобавок установлено, что трение демонстрирует значимый анизотропный эффект. Силы трения для Au(001) и Au(110) поверхностей больше, чем для Au(111) поверхности, и силы трения для Au(110) поверхности являются наибольшими. Этот анизотропный эффект трения атрибутируется анизотропному эффекту волнистости потенциальной энергии. Эти результаты не только дают инсайты в базовые механизмы скольжения графинового флака на золотом субстрате, но также могут направлять проектирование и фабрикацию наномасштабных графиновых устройств.