白云母表面原子層疲勞研究.pdf

1、白云母作為一種典型的層狀離子晶體，是二維層狀材料領(lǐng)域關(guān)注的重點之一。研究發(fā)現(xiàn)，超薄白云母具有新穎的電子特性，能夠顯著提升有機(jī)場效應(yīng)管的性能。然而，其機(jī)械性質(zhì)卻被認(rèn)為仍遵循宏觀理論?？紤]到應(yīng)力的產(chǎn)生及傳導(dǎo)機(jī)制，不難理解二維層狀材料可能具有新穎的機(jī)械性質(zhì)。這將為減緩微米及納米電-機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械故障帶來新的策略和希望。研究已知，~90％的機(jī)械故障源于材料疲勞。材料疲勞與系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性密切相關(guān)，是導(dǎo)致元器件失效的一個重要因素。因此，二維層狀

2、材料的疲勞研究已成為必需。本論文以白云母為研究對象，利用原子力顯微技術(shù)在埃尺度下系統(tǒng)地研究了表面原子層的疲勞現(xiàn)象。
　　本文通過AFM探針對白云母表面施加一定的垂直負(fù)載，針對性地設(shè)計實施了一系列實驗，并實時觀測了表面原子層在外加負(fù)載作用下的變化情況。AFM實驗結(jié)果表明，白云母表面原子層疲勞具有特殊屬性。首先，與單調(diào)依賴于垂直負(fù)載的宏微觀疲勞不同，白云母表面原子層疲勞對垂直負(fù)載存在著顯著的不連續(xù)依賴性。并且，這種不連續(xù)依賴性還劃分出

3、了三個不同的疲勞區(qū)域：2.3埃、4.4埃及10埃原子層疲勞。最為重要的是，本研究發(fā)現(xiàn)在4.17±0.01 GPa和4.84±0.01 GPa這兩個極其特殊的的垂直負(fù)載下，白云母的疲勞壽命趨于無限長。這種“超出材料的屈服強(qiáng)度卻不發(fā)生任何破損”的現(xiàn)象，從未在宏微觀尺度上發(fā)現(xiàn)過，屬于原子層疲勞特有的性質(zhì)。其次，本研究還發(fā)現(xiàn)，白云母表面原子層的疲勞壽命對掃描速率存在著顯著的非線性依賴性。但是，掃描速率并不會影響原子層疲勞對垂直負(fù)載的不連續(xù)依賴性

4、，同時也不會對疲勞深度及Basquin指數(shù)等造成顯著影響。
　　這些新穎的原子層疲勞行為無法用現(xiàn)有模型進(jìn)行解釋。因此本論文在AFM實驗基礎(chǔ)上，對白云母表面原子層疲勞開展了理論研究。通過理論分析應(yīng)力的起源及分布情況，本文證明了摩擦剪切應(yīng)力是表面原子層疲勞過程中的主導(dǎo)應(yīng)力。同時，本文還設(shè)計實施AFM實驗對此進(jìn)行了驗證。在此基礎(chǔ)上本文還認(rèn)為，原子空穴及非對稱性電荷分布是導(dǎo)致這些獨特現(xiàn)象的主要因素。因此，本文比較了兩種不同云母（白云母和金

5、云母）的疲勞行為，從而證實了原子結(jié)構(gòu)對原子層疲勞的影響。本研究指出，只有在摩擦剪切應(yīng)力和原子空穴等的作用下，表面原子層疲勞才會出現(xiàn)“超出材料的屈服強(qiáng)度卻不發(fā)生任何破損”的獨特行為，并對垂直負(fù)載及掃描速率存在著顯著的依賴性。同時本研究還指出，要得到具有超級抗疲勞特性的材料，不僅需要加強(qiáng)材料表面相互作用的強(qiáng)度，還需要加強(qiáng)材料內(nèi)部相互作用的強(qiáng)度。
　　綜上所述，本文發(fā)現(xiàn)埃尺度下的二維層狀材料具有獨特的疲勞特性。目前，二維層狀材料新穎的電

6、熱學(xué)性質(zhì)使得其在電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。同樣，這些新穎的機(jī)械性質(zhì)也將有助于在原子尺度上深入理解物理原理，并極大地推動納米電機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展。因此，本研究既具有重要的科學(xué)意義，又具有巨大的應(yīng)用價值。
　　本論文的主要創(chuàng)新點在于：（1）在埃尺度下實時觀測了表面三種不同原子層的疲勞過程，并獲得了原子級分辨率的AFM圖像；（2）觀測到了“超出材料的屈服強(qiáng)度卻不發(fā)生任何破損”的新現(xiàn)象；及（3）從理論上探究了這些獨特的疲勞行為的起源，揭示了原