基于鈦酸鋇的納米摩擦能耗的研究

錢益心

摘要：本文利用原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM），使用不同型號(hào)的探針，主要研究壓電材料鈦酸鋇極化條件下正壓力對(duì)摩擦力，粘附力的關(guān)系，同時(shí)也通過對(duì)比鈦酸鋇和硅片的摩擦力大小，觀察電子耗散對(duì)摩擦力的影響，并得出重要結(jié)論：對(duì)于鐵電材料鈦酸鋇而言，電子對(duì)摩擦力的影響不容忽視。

關(guān)鍵詞：原子力顯微鏡;鈦酸鋇;摩擦力

引言

摩擦學(xué)是一個(gè)古老的學(xué)科，人類在遠(yuǎn)古時(shí)期就學(xué)會(huì)摩擦生火，但是并沒有認(rèn)識(shí)到摩擦的本質(zhì)。

但真正系統(tǒng)提出聲子耗散模型的是1991年J.Krim[1]用石英晶振天平測(cè)量吸附在金表面的單層Kr薄膜的摩擦力和1994年Robbins等人[2]用分子動(dòng)力學(xué)探討聲子對(duì)摩擦的影響。他們認(rèn)為由于兩個(gè)物體的相對(duì)位移，會(huì)使物體的晶格原子有微小彈性變形，由于運(yùn)動(dòng)是單向的，滑動(dòng)處原子的勢(shì)能在滑動(dòng)方向上并不是對(duì)稱的，則該類原子在位移方向上會(huì)有躍遷位移的非對(duì)稱項(xiàng)，這部分彈性變形能將以聲子方式向周圍介質(zhì)耗散。

聲子耗散由晶格振動(dòng)引起的，一般只有幾個(gè)納米。電子耗散既可由共價(jià)鍵、范德華等作用力引起，也可由電場(chǎng)力引起，電場(chǎng)力作用范圍可達(dá)到幾十納米。1986年，Krim等人[3-5]利用石英晶體微天平（QCM）研究鉛表面和在其上流動(dòng)的氮?dú)夥肿拥慕缑婺Σ粒l(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度到達(dá)鉛的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc=7.2K）時(shí)摩擦力突然大幅降低，并由此提出了電子對(duì)于摩擦力的影響。對(duì)此他們認(rèn)為：摩擦的能量耗散形式有兩種：電子空穴對(duì)的擴(kuò)散散射和聲子激勵(lì)。在超導(dǎo)態(tài)下，材料的電阻為零，電子散射很小，摩擦系數(shù)大幅降低。2001年Kuleba等[6]研究超導(dǎo)轉(zhuǎn)變對(duì)于材料摩擦性能的影響，發(fā)現(xiàn)很多材料在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度下摩擦系數(shù)都大幅降低。

隨著電子及微電子工業(yè)的快速發(fā)展，日美等發(fā)達(dá)國(guó)家研制出了一系列高純度超細(xì)鈦酸鹽產(chǎn)品。從以前的喇叭到電容器中，基本都離不開壓電材料，鈦酸鋇晶體被廣泛應(yīng)用于超聲波儀器和水底探測(cè)器中。這些壓電材料在摩擦過程中電子耗散后會(huì)嚴(yán)重影響其使用壽命，因此對(duì)壓電材料的摩擦性能進(jìn)行研究已經(jīng)刻不容緩。

本文主要的研究工作是對(duì)鈦酸鋇使用不同型號(hào)的探針進(jìn)行粘附力的測(cè)量，同時(shí)還研究了正壓力與粘附力的關(guān)系，并且將鈦酸鋇與硅片上的摩擦力進(jìn)行對(duì)比，并且得出相關(guān)結(jié)論：鈦酸鋇上的摩擦能耗不僅僅有聲子耗散，電子耗散同樣占據(jù)重要位置且不容忽視。

1 材料

鈦酸鋇（BaTiO3）是最早發(fā)現(xiàn)的一種具有ABO3型鈣鈦礦，是具有壓電效應(yīng)的鐵電體[7_ENREF_2]。樣品購(gòu)自合肥科晶材料技術(shù)有限公司。

2.實(shí)驗(yàn)

2.1 樣品介紹

實(shí)驗(yàn)所用鈦酸鋇在z軸方向上存在電偶極矩（實(shí)驗(yàn)溫度大約在25℃），是電子陶瓷中使用最廣泛的材料之一，被譽(yù)為“電子陶瓷工業(yè)的支柱”?[8]，鈦酸鋇的電容率大、非線性強(qiáng)（可調(diào)性高），但嚴(yán)重依賴于溫度和頻率。樣品形狀是5x5x0.5 mm的長(zhǎng)方體，表面粗糙度達(dá)到皮米級(jí)別。

2.2 探針的選擇

本實(shí)驗(yàn)一共選擇了兩種探針進(jìn)行對(duì)比，分別是不導(dǎo)電探針AC240TS和導(dǎo)電探針AC240TM。這兩種探針除了導(dǎo)電性不一樣，針尖半徑也相差較大，AC240TM由于鍍了金屬半徑約為30nm，AC240TS半徑約10nm。

2.3摩擦力測(cè)量方法

探針的測(cè)向靈敏度校正主要采用楔形法。本實(shí)驗(yàn)采用光柵法[9-11]進(jìn)行測(cè)量，所使用的型號(hào)為TGG01。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

鈦酸鋇在能量耗散上面既有電子耗散也有聲子耗散。為了探究極化電荷對(duì)摩擦力的影響，我們還在硅表面進(jìn)行了不同探針的摩擦力的測(cè)量。由于硅表面也很光滑，表面粗糙度和鈦酸鋇一樣，但是不具有壓電效應(yīng)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和鈦酸鋇進(jìn)行對(duì)比就可得出極化電荷對(duì)摩擦力的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，不管使用的探針是否導(dǎo)電，具有壓電效應(yīng)的鈦酸鋇測(cè)量得到的摩擦力始終高于在硅片上測(cè)量得到的摩擦力。

圖1的結(jié)果排除了表面粗糙度等因素的影響，我們將高出來的那部分歸結(jié)為壓電效應(yīng)的影響，主要是電子的耗散引起的摩擦力的增大。并且從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，隨著正壓力的增加，鈦酸鋇和硅片上的摩擦力數(shù)值之差越來越大，這是因?yàn)槭┘拥耐廨d荷大了，壓電常數(shù)不變，因此表面會(huì)積聚更多的電荷，電子耗散會(huì)更多。

摩擦力-正壓力線性關(guān)系表明實(shí)驗(yàn)中針尖與樣品表面存在多個(gè)粗糙峰的接觸。Schwarz等人[12]在氬氣環(huán)境下選用無定形碳作為樣本，使用不同半徑的球型探針，測(cè)得一系列F_L—F_N曲線，也得出摩擦力隨著正壓力的增加呈近似線性變化的結(jié)論。摩擦力對(duì)法向載荷的依賴與其他組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[13-14]一致，證實(shí)我們實(shí)驗(yàn)的正確性。

4.總結(jié)

1. 當(dāng)探針與樣品有較長(zhǎng)時(shí)間的停留時(shí)，粘附力會(huì)增大;

2. 摩擦力與正壓力呈線性關(guān)系;

3. 對(duì)于鈦酸鋇而言，電子耗散導(dǎo)致的摩擦力不容忽視。

4. 壓電材料的摩擦不僅與聲子耗散有關(guān)，電子耗散也起著重要作用。

參考文獻(xiàn)

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