無定形碳膜原子尺度超滑機理研究

《無定形碳膜原子尺度超滑機理研究》是依託清華大學，由馬天寶擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：無定形碳膜原子尺度超滑機理研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：馬天寶
• 項目類別：面上項目

項目摘要

超滑研究對能源、環境、微納製造等領域具有重要的套用價值，也是當今最具挑戰性的科學問題之一，有必要從原子、分子甚至電子層面上揭示其內在形成機制。本項目擬在青年基金基礎上進一步深入探索無定形碳膜原子尺度超滑機理。採用基於禁止鍵序勢函式和反應力場的分子動力學模擬、第一性原理等方法開展超滑的原子尺度模擬。引入剪下誘導摩擦化學作用，結合表面鈍化機制與剪下誘導石墨化機制，建立較為完備的無定形碳膜超滑模型，為實際工況下（特別是高速重載、大氣環境）超滑提供理論指導。採用原子級分辨線上觀測和表征方法驗證所提理論模型，揭示無定形碳膜原子尺度超滑機理。在該超滑模型的基礎上，探索無定形碳膜超滑與薄膜納米尺度微觀結構及元素摻雜的關係，並基於無定形碳膜生長機理研究，揭示薄膜製備與結構/化學組分的關係，從而指導實驗中製備出性能更為優異的超滑無定形碳膜。

結題摘要

本項目主要圍繞無定形碳膜原子尺度超滑機理開展研究，取得了如下創新性成果： （1）採用分子動力學模擬了無定形碳膜微觀尺度摩擦過程，發現了剪下誘導的界面共價鍵沿滑動方向定向排列、原子結構有序化以及薄層剪下帶的形成對無定形碳膜自潤滑的決定作用；提出了基於剪下局域化的無定形碳膜超滑機理，即在較高的壓力作用下，會自發形成雙層不公度類石墨烯的滑動界面，具有原子級光滑、層間無局域共價鍵作用等特徵，可實現近零摩擦。 （2）揭示了含氫無定形碳膜sp3結構形成機理，以及不同入射粒子類型，入射能量和入射基團特性對薄膜微觀結構的影響。分析了結構相變及氫鈍化效應對含氫無定形碳膜摩擦行為的協同作用機理：低含氫量碳膜在較高載荷下，摩擦會形成局部類石墨層狀結構，導致摩擦係數降低；而高含氫量碳膜在較低載荷下，摩擦會導致氫原子表面聚集，及在對偶面上形成富氫的轉移層，體現出顯著的鈍化效果，可獲得較低的摩擦係數。在乾燥氬氣環境下實驗實現了摩擦係數0.003的超低摩擦，發現光滑連續的界面膜對超滑具有關鍵作用。 （3）基於類石墨界面膜對於超滑具有重要作用這一發現，採用石墨烯薄膜實現了微觀尺度超滑，發現石墨烯薄膜超滑具有較好的環境不敏感性和耐磨性，有望成為下一代自潤滑材料。 在Nature Communications (IF: 12.124)、Scientific Reports (IF: 4.259)、ACS Applied Materials & Interfaces (IF: 7.504)、Journal of Physical Chemistry C (IF: 4.536)等主流學術期刊發表論文17篇，全部為SCI檢索。申請發明專利3項。做國際會議特邀報告4次，國內重要會議大會特邀報告2次。項目負責人獲得2017年度教育部青年科學獎（全國8人獲獎），入選2017年度青年長江學者。項目參與人獲清華大學優秀博士學位論文（二等獎）和清華大學優秀碩士學位論文，獲International Conference on Planarization/CMP Technology（比利時）最佳學生論文獎。