中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心知识库

特征尺寸在微/纳米的微电子机械系统(MEMS/NEMS)由于具备尺寸微型化、功能集成化等优点，已经成为近几十年的一个重要发展方向。但是由于MEMS/NEMS尺寸很小，粘着和磨损问题已经成为其广泛应用的最大挑战。在过去的几十年中，分子自组装膜(SAMs)和类金刚石碳(DLC)薄膜曾被广泛研究，期望用来解决这些问题，但是SAMs由于耐磨性差而限制了其实际应用；与MEMS/NEMS溶液制造工艺兼容的液相电化学沉积法制备的DLC薄膜也由于致密性和耐磨性太差而难以满足MEMS/NEMS的润滑要求。石墨烯由于具备优异的摩擦学性能，被认为是最薄的固体润滑薄膜。但是，传统的气相沉积法制备的石墨烯薄膜不仅成本昂贵，而且面临膜的转移等难题。针对以上问题，本论文开展了一系列的研究工作，主要研究内容和结果如下：

1. 利用氧化石墨烯(GO)在水介质中能形成带负电荷的稳定胶体溶液这一本征特性，运用阳极电泳沉积法(EPD)直接在硅基底上制备出纳米级厚度可控的氧化石墨烯薄膜(GOF)。研究结果表明，GOF的厚度可以通过调节电泳电压进行精确控制(如50~400 nm)；GOF具有优异的力学性能和摩擦学性能，可有效降低硅材料表面的摩擦系数(从0.31降低到0.05)和磨损体积(从8.32×10-¹³ m³降低到3.38×10^-14 m³)，显著提高硅的磨损寿命。

2. 探索出了分析和研究氧化石墨烯薄膜上不同种类含氧官能团的实验方法，揭示了氧化石墨烯薄膜含氧官能团种类和其摩擦学性能之间的相关性规律。

3. 基于GOF的制备原理，将EPD技术拓展到多种杂原子(如H, Cl, F, N, S等)掺杂的有机羧酸分子(CAM)薄膜的制备。重点研究了氟元素的引入对CAM薄膜形貌、表面性质、抗湿特性、力学和摩擦学性能的影响；与SAMs相比，氟取代的三氟乙酸分子膜具有较低的摩擦系数(0.047 vs.0.12)和粘着力(5.3nN vs.16nN)，可显著提高硅材料的磨损寿命(>466 min)和抗湿能力。

4. 通过研究电泳沉积的三氯乙酸分子膜退火前后的表面形貌、微观结构和结晶状态的变化，证明经过简单的退火处理可将有机分子膜转变为厚度可控的碳膜。与退火前的三氯乙酸分子膜相比，转变成的碳膜不仅与硅基底有更强的结合力(从2.7 N提高到了7.6 N)，而且表现出更低的摩擦系数(从0.116降低到0.052)、更低的磨损率(从5.48×10^-4 mm³/Nm降低到2.17×10^-4 mm³/Nm)及更长的磨损寿命(从85 min增长到175 min)。