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单晶蓝宝石衬底表面微结构对摩擦性能的影响

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林汶龙, 廖梦舟. 单晶蓝宝石衬底表面微结构对摩擦性能的影响[J]. 物理学报, 2026, 75(11): 110704. doi: 10.7498/aps.75.20251799
引用本文: 林汶龙, 廖梦舟. 单晶蓝宝石衬底表面微结构对摩擦性能的影响[J]. 物理学报, 2026, 75(11): 110704. doi: 10.7498/aps.75.20251799
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Wenlong LIN, Mengzhou LIAO. Effect of surface microstructure on the frictional properties of single-crystal sapphire substrates[J]. Acta Physica Sinica, 2026, 75(11): 110704. doi: 10.7498/aps.75.20251799
Citation: Wenlong LIN, Mengzhou LIAO. Effect of surface microstructure on the frictional properties of single-crystal sapphire substrates[J]. Acta Physica Sinica, 2026, 75(11): 110704. doi: 10.7498/aps.75.20251799
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单晶蓝宝石衬底表面微结构对摩擦性能的影响

  • 四川大学材料科学与工程学院, 成都　610065

    • 通讯作者: E-mail: mengzliao@scu.edu.cn.

Effect of surface microstructure on the frictional properties of single-crystal sapphire substrates

  • School of Material Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China

    • Corresponding author: E-mail: mengzliao@scu.edu.cn.

  • 摘要: 本文使用一种二维摩擦原子力显微镜方法, 在大气环境下研究了无定形氧化硅和单晶蓝宝石两种衬底材料和硅探针之间的摩擦行为. 结果表明无定形氧化硅衬底和硅探针之间的摩擦力为各向同性; 单晶蓝宝石衬底和硅探针之间摩擦力由一个各向同性摩擦分量和一个周期为90°的各向异性摩擦分量组成, 其中90°周期摩擦分量与单晶硅针尖晶格对应. 对单晶蓝宝石衬底表面进行变负载测试结果表明, 单晶蓝宝石衬底和硅探针之间总摩擦由于表面吸附物的擦除效应, 总摩擦力表现为随负载增大先减小后增大, 并且其各向同性摩擦分量以及90°周期的各向异性摩擦分量也表现出相同趋势. 在对单晶蓝宝石衬底进行热处理后, 单晶蓝宝石衬底表面出现台阶微结构, 在与硅针尖摩擦中出现与台阶相关新的显著180°周期各向异性摩擦分量, 证明了蓝宝石表面台阶结构对各向异性摩擦性质具有直接影响. 二维摩擦原子力显微镜 (two-dimensional friction-force atomic force microscope(2DFF-AFM)) 方法为分离表界面不同来源摩擦力提供了有效理论和实践路径.
    Abstract: In previous studies, conducting in-situ friction measurement by atomic force microscope have remained challenging. Two-dimensional friction-force atomic force microscopy (2DFF-AFM) is a method that enables friction measurements on material surfaces at the two-dimensional scale using atomic force microscopy. By combining the torsional signal of the cantilever with the Z-direction piezoelectric feedback corresponding to the bending signal, this method achieves microscopic friction measurements at arbitrary scanning angles. This study used 2DFF-AFM method to investigate the friction behavior between silicon probes and two different substrates (amorphous silicon oxide and single-crystal sapphire) under atmospheric conditions. The results show that friction on amorphous silicon oxide is isotropic when measured with a silicon probe. Friction on single-crystal sapphire comprises an isotropic component and an anisotropic component with 90° periodicity which arises from single crystal silicon of tip, the high hardness of sapphire wears through the native oxide layer of the silicon tip, exposing the underlying single-crystal silicon. In addition, under the influence of adsorbates, both the isotropic friction signal and 90° periodic anisotropic friction signal exhibit a non-monotonic trend with increasing load, initially decreasing and then increasing. After thermal treatment of single-crystal sapphire substrates, sub-nanometer steps appears on the surface, and friction measurements show that sapphire exhibits a friction signal with a period of 180°. This directly indicates that the step structure on the sapphire surface significantly affects the anisotropic friction behavior. The 2DFF-AFM method provides an effective theoretical and practical approach for separating friction forces from different sources at the interface.
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  • 图 1  2DFF-AFM摩擦测试示意图　(a)摩擦测试俯视图; (b)针尖Y方向信号测试图; (c)针尖X方向信号侧视图

    Figure 1.  Diagram of the 2DFF-AFM friction measurement: (a) Top view of the friction measurement; (b) diagrams of the measurement of signal in the Y direction; (c) diagrams of the measurement of signal in the X direction.

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    图 2  非晶氧化硅表面形貌表征及摩擦测试图　(a)非晶氧化硅表面光学显微镜图; (b)非晶氧化硅表面AFM图; (c)纵向力$ {F}_{x} $和横向力$ {F}_{y} $与扫描角度关系图; (d)偏离角$ {\theta }_{\text{Misangle}} $与扫描角度关系图; (e)摩擦力$ {F}_{\text{r}} $与扫描角度关系图; (f)非晶氧化硅表面摩擦力分解图

    Figure 2.  Topography and friction measurement on amorphous SiO2 surface: (a) Optical microscope of amorphous SiO2 surface; (b) AFM image of amorphous SiO2 surface; (c) vertical force $ {F}_{x} $ and lateral force $ {F}_{y} $ as a function of scan angle; (d) $ {\theta }_{\text{Misangle}} $ as a function of scan angle; (e) friction force $ {F}_{\text{r}} $ as a function of scan angle; (f) friction decoupling on SiO2 surface.

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    图 3  单晶蓝宝石衬底表面形貌表征及摩擦测试图　(a)单晶蓝宝石衬底表面光学显微镜图; (b)单晶蓝宝石衬底表面AFM图; (c)纵向力$ {F}_{x} $和横向力$ {F}_{y} $与扫描角度关系图; (d)偏离角$ {\theta }_{\text{Misangle}} $与扫描角度关系图; (e)摩擦力$ {F}_{\text{r}} $与扫描角度关系图; (f)单晶蓝宝石衬底表面摩擦力分解图

    Figure 3.  Topography and friction measurement on sapphire surface: (a) Optical microscope of sapphire surface; (b) AFM image of sapphire surface; (c) vertical force $ {F}_{x} $ and lateral force $ {F}_{y} $ as a function of scan angle; (d) $ {\theta }_{\text{Misangle}} $ as a function of scan angle; (e) friction force $ {F}_{\text{r}} $ as a function of scan angle; (f) friction decoupling on sapphire surface.

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    图 4  单晶蓝宝石衬底表面变负载摩擦测试　(a)单晶蓝宝石衬底表面摩擦力$ {F}_{\text{r}} $与负载和扫描角度关系图; (b)单晶蓝宝石衬底表面偏离角$ {\theta }_{\text{Misangle}} $与负载和扫描角度关系图; (c)单晶蓝宝石衬底表面各向同性摩擦力$ {F}_{\text{v}} $与负载关系图; (d)单晶蓝宝石衬底表面周期摩擦力$ {F}_{90{^{\circ}}} $与负载关系图

    Figure 4.  Friction measurement on sapphire surface with different load: (a) Friction force $ {F}_{\text{r}} $ as a function of load and scan angle on sapphire surface; (b) $ {\theta }_{\text{Misangle}} $ as a function of load and scan angle on sapphire surface; (c) isotropic friction $ {F}_{\text{v}} $ as a function of load on sapphire surface; (d) isotropic friction $ {F}_{90{^{\circ}}} $ as a function of load on sapphire surface.

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    图 5  退火单晶蓝宝石衬底表面形貌及摩擦测试图　(a)退火单晶蓝宝石衬底光学显微镜图; (b)退火单晶蓝宝石衬底AFM图; (c)退火单晶蓝宝石衬底表面摩擦力$ {F}_{\text{r}} $与扫描角度关系图; (d)退火单晶蓝宝石衬底表面偏离角$ {\theta }_{\text{Misangle}} $与扫描角度关系图

    Figure 5.  Topography and friction measurement on annealed sapphire surface: (a) optical microscope of annealed sapphire surface; (b) AFM image of annealed sapphire surface; (c) friction force $ {F}_{\text{r}} $ as a function of load and scan angle on annealed sapphire surface; (d) $ {\theta }_{\text{Misangle}} $ as a function of load and scan angle on annealed sapphire surface.

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出版历程
  • 收稿日期:  2025-12-31
  • 刊出日期:  2026-06-20

单晶蓝宝石衬底表面微结构对摩擦性能的影响

    通讯作者: E-mail: mengzliao@scu.edu.cn.
  • 四川大学材料科学与工程学院, 成都　610065
  • 收稿日期:  2025-12-31

摘要: 本文使用一种二维摩擦原子力显微镜方法, 在大气环境下研究了无定形氧化硅和单晶蓝宝石两种衬底材料和硅探针之间的摩擦行为. 结果表明无定形氧化硅衬底和硅探针之间的摩擦力为各向同性; 单晶蓝宝石衬底和硅探针之间摩擦力由一个各向同性摩擦分量和一个周期为90°的各向异性摩擦分量组成, 其中90°周期摩擦分量与单晶硅针尖晶格对应. 对单晶蓝宝石衬底表面进行变负载测试结果表明, 单晶蓝宝石衬底和硅探针之间总摩擦由于表面吸附物的擦除效应, 总摩擦力表现为随负载增大先减小后增大, 并且其各向同性摩擦分量以及90°周期的各向异性摩擦分量也表现出相同趋势. 在对单晶蓝宝石衬底进行热处理后, 单晶蓝宝石衬底表面出现台阶微结构, 在与硅针尖摩擦中出现与台阶相关新的显著180°周期各向异性摩擦分量, 证明了蓝宝石表面台阶结构对各向异性摩擦性质具有直接影响. 二维摩擦原子力显微镜 (two-dimensional friction-force atomic force microscope(2DFF-AFM)) 方法为分离表界面不同来源摩擦力提供了有效理论和实践路径.

English Abstract

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    1.   引　言

    • 摩擦学是一门专注于研究材料相互作用表面在相对运动中产生的摩擦、磨损和润滑现象的科学与技术[1,2], 在离合器、刹车片、轮胎等众多领域中发挥着关键作用. 由于摩擦和由此引起的磨损约占全球总能耗的1/5[3], 因此, 实现接近无摩擦和低磨损状态对于降低全球能源消耗具有重大意义. 材料的微观和宏观摩擦性质是一体两面, 通过对材料微观摩擦性质进行研究, 能够帮助我们深入理解宏观摩擦现象, 并对材料表面进行更好的宏观摩擦改性.

      虽然现在科研人员对材料表面摩擦机理进行了大量研究, 但是现存的宏观摩擦现象与微观摩擦理论之间存在割裂, 例如宏观尺度下摩擦系数远大于微观尺度[4,5]. 目前原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)技术是研究材料表面微观摩擦性质的主流手段. 通过探测针尖与样品在相对运动过程中四象限探测器上激光位置的变化, 原子力显微镜可以定量表征材料表面的微观摩擦性质[6]. 通过基于原子力显微镜技术的摩擦力显微镜(friction force microscope, FFM)技术, 研究人员实现了材料表面关于褶皱[7]、台阶[8]、厚度[9]等摩擦机制的研究. 然而, 传统FFM不能很好地进行材料表面原位各向异性摩擦测试, 限制了其在各向异性材料表面摩擦性质研究中的应用. 二维摩擦原子力显微镜(two-dimensional friction-force atomic force microscope, 2DFF-AFM)[10]技术是一种使用原子力显微镜在二维尺度上对材料表面进行摩擦测量的方法, 通过将针尖悬臂梁的扭转信号与弯曲信号相结合, 可以实现在不抬起针尖的情况下对样品进行多角度摩擦测量.

      单晶硅和单晶蓝宝石在芯片[11]、激光[12]、传感器[13]领域有广泛的应用, 因此深入了解其表面结构与摩擦性质的关联具有重要意义. 本文采用2DFF-AFM方法在大气环境下对非晶氧化硅和单晶蓝宝石衬底表面进行二维摩擦力测试, 通过对摩擦力周期分量解耦以及测量偏离角[14]变化情况, 探究了非晶氧化硅和单晶蓝宝石衬底材料表面周期摩擦分量信号的区别及其来源, 并研究了变负载下单晶蓝宝石衬底表面摩擦变化情况, 以及退火后单晶蓝宝石衬底表面周期分量摩擦信号变化情况. 结果表明无定形氧化硅衬底和硅探针之间的摩擦力为各向同性; 热处理前单晶蓝宝石衬底和硅探针之间摩擦力由一个各向同性摩擦分量和一个周期为90°的各向异性摩擦分量组成, 其中90°周期摩擦分量与针尖单晶硅晶格对应. 对单晶蓝宝石衬底表面进行变负载测试结果表明, 单晶蓝宝石衬底和硅探针之间总摩擦由于表面吸附物的擦除效应, 导致摩擦力随负载增大表现为先减小后增大的趋势, 并且90°周期的各向异性摩擦分量也表现出先减小后增大的趋势. 在对单晶蓝宝石衬底进行热处理后, 衬底表面出现台阶, 并且出现与台阶相关的180°各向异性摩擦分量, 证明蓝宝石表面台阶结构对蓝宝石表面各向异性摩擦性质具有显著贡献. 本研究对理解晶体材料表面结构对摩擦性质的影响有重要的意义.

    2.   实　验

      2.1.   理　论

    • 传统FFM测试中, 扫描方向通常垂直于悬臂梁方向. 但是在晶体材料表面或者是具有某些表面微结构的材料中, 材料表面摩擦力往往是各向异性的. 传统FFM测量不同方向的表面摩擦力需要旋转样品[15–17], 而旋转过程中需要抬起针尖, 因此无法保证针尖和样品接触状态和接触位置一致, 导致传统FFM在测量材料表面各向异性摩擦性质精度较差.

      为更好地表征材料表面各向异性摩擦性质, 使用2DFF-AFM方法进行摩擦测量. 图1(a)为2DFF-AFM方法测试图. 在这里定义垂直于悬臂梁方向为Y方向, 针尖受力为$ {F}_{y} $; 沿着悬臂梁长轴方向为X方向, 针尖受力为$ {F}_{x} $. 当探针沿材料表面扫描时, 探针同时会沿悬臂梁长方向弯曲, 沿悬臂梁长方向垂直的方向发生扭转. 如图1(b)所示, 悬臂梁的扭转会导致四象限检测器上的激光发生横向偏移, 因此有:

      其中$ {V}_{(A+C)-(B+D)} $是悬臂梁的横向扭转信号, $ {k}_{y} $是悬臂梁的横向灵敏度参数. 如图1(c)所示, 当针尖所受力平行于悬臂梁长轴方向时, Z轴反馈控制通过调节Z轴压电陶瓷的电压$ \Delta {V}_{x}={Z}_{\text{Forward}}- {Z}_{\text{Backward}} $来抵消针尖的弯曲信号使$ {V}_{(A+B)-(C+D)} $为常数, 因此

      其中, $ {k}_{x} $为悬臂梁纵向灵敏度参数. 当针尖受力沿非平行于悬臂梁长轴方向进行受力时, 针尖的扭转运动会对针尖的弯曲信号产生串扰, 因此需要对$ {F}_{x} $进行校正, 校正后X方向真实受力:

      其中$ \Delta {V}_{\text{cross}} $为由于针尖的扭转运动导致的串扰信号$ \Delta {V}_{y} $, 并且串扰信号$ \Delta {V}_{\text{cross}} $正比于扭转信号$ \Delta {V}_{y} $[18], 比例为$ {k}_{\text{cross}} $. 在已知$ {F}_{x} $和$ {F}_{y} $的情况下, 可以计算针尖所受合力:

      当样品表面摩擦力为各向异性时, 针尖在扫描过程中受力方向与扫描方向存在偏离, 其偏离角为$ {\theta }_{\text{Misangle}}={\theta }_{{{F}_{\text{t}}}}-{\theta }_{\text{Scan}} $, 其中$ {\theta }_{\text{Scan}} $为压电陶瓷扫描角度, $ {\theta }_{{{F}_{\text{t}}}} $为扫描过程中针尖的受力角度, 在针尖悬臂梁系统中:

      偏离角$ {\theta }_{\text{Misangle}} $直接反映了材料表面摩擦各向异性的占比大小. 因此摩擦力可以被计算为

      • 2.2.   实验部分

    • 所有摩擦实验均在大气条件下使用本原公司CSPM5500原子力显微镜通过接触模式进行测量. 摩擦实验中所用针尖(ContAl-G; BudgetSensors)悬臂梁的力常数为0.2 N/m(名义数值, 未经标定), 自由共振频率为14.5 kHz, 光杠杆系数为227.27 nm/V, 自由状态下光斑位置位于四象限探测器中心, 后续摩擦测试时对针尖所施加负载未包括黏附力贡献, 摩擦测试范围为10 μm, 扫描速度为4.5 Hz. 摩擦图像的分辨率为256×256, 扫描角度间隔为3°. 在实验中使用AFM的轻敲模式表征样品形貌, 其针尖(Tap300Al-G; BudgetSensors)悬臂梁力常数为40 N/m, 自由共振频率为300 kHz. 实验中使用的光学显微镜为凤凰光学的BMC600.

      实验所用的单晶蓝宝石衬底为SIEGERT WAFER公司2英寸(1英寸 = 2.54 cm)单晶蓝宝石((0001)晶面)衬底. 单晶蓝宝石衬底的热处理条件为在氩气流量275 sccm(1 sccm = 1 mL/min@0 ℃, 1.013×105 Pa)以及10 sccm的混合气体下以1000 ℃退火8 h. 非晶氧化硅衬底使用苏州晶硅科技4英寸300 nm氧化层硅晶圆.

    3.   实验结果与讨论

      3.1.   非晶氧化硅表面形貌及摩擦性能

    • 图2(a)为非晶氧化硅的光学显微镜图片, 可以观察到非晶氧化硅衬底表面洁净. 进一步使用AFM对非晶氧化硅衬底表面进行形貌测试, 如图2(b)所示, 在2 μm×2 μm的扫描范围下, 可以观察到非晶氧化硅衬底表面较为平整, 表面粗糙度为0.72 nm. 在接触模式下以9.09 nN负载对非晶氧化硅衬底表面进行摩擦测试. 针尖悬臂梁长轴方向受力$ {F}_{x\text{real}} $以及垂直于针尖悬臂梁长轴方向受力$ {F}_{y} $如图2(c)所示, 可以观察到经校正后的$ {F}_{x\text{real}} $, $ {F}_{y} $曲线表现出接近标准的三角函数形式并且存在90°的相位差. 两条曲线振幅基本相同, 为182.79 nN. 如图2(d)所示, 计算偏离角可以观察到非晶氧化硅表面存在周期为180°, 峰值大小约为8°的偏离角信号. 如图2(e)所示, 氧化硅衬底和硅针尖摩擦力大小约为180 nN, 并存在一个微弱的180°周期摩擦分量信号. 进一步对其摩擦周期信号进行分解, 结果如图2(f)所示, 可以发现其信号由一个各向同性信号$ {F}_{\text{v}} $以及一个周期约为180°的信号$ {F}_{\text{e}{{180}^{{^{\circ}}}}} $组成. 由于非晶氧化硅表面及结构为各向同性, $ {F}_{\text{e}{{180}^{{^{\circ}}}}} $信号可能来源于探针悬臂梁模量各向异性和不同扫描方向反馈参量不同引起的测量误差.

      • 3.2.   单晶蓝宝石衬底表面形貌及摩擦性能

    • 图3(a)为单晶蓝宝石衬底的光学显微镜图像, 可以观察到样品表面无明显污染. 使用AFM对单晶蓝宝石衬底表面进行形貌测试如图3(b)所示, 在退火前单晶蓝宝石衬底表面十分平整, 表面粗糙度仅为0.12 nm. 使用2DFF-AFM方法以9.09 nN负载在单晶蓝宝石衬底表面进行摩擦测量. 图3(c)为针尖在扫描过程中平行于悬臂梁方向受力$ {F}_{x\text{real}} $, 垂直于悬臂梁方向受力$ {F}_{y} $图, 可以观察到$ {F}_{x\text{real}} $与$ {F}_{y} $峰值大小基本相同, 表明校正参数较为正确. 图3(d), (e)分别为针尖在扫描过程中的偏离角$ {\theta }_{\text{Misangle}} $和摩擦力, 可以看出其中存在周期为90°以及周期为180°的周期信号分量. 对其中的信号进行分析拟合, 如图3(f)所示, 发现其摩擦信号由一个各向同性信号$ {F}_{\text{v}} $, 一个周期为90°的各向异性信号$ {F}_{{{90}^{{^{\circ}}}}} $以及一个与氧化硅表面(图2(f))类似180°周期和相位的各向异性信号$ {F}_{\text{e}{{180}^{{^{\circ}}}}} $组成. 其中各向同性信号$ {F}_{\text{v}} $在测量的过程中由于仪器的热飘现象导致其摩擦逐渐减小. 与在图2(e)—(f)中各向同性氧化硅表面摩擦性质不同, 在单晶蓝宝石衬底表面观测到的周期为90°的各向异性信号. 由于体系中仅有Si针尖的四方晶体结构具有90°周期, 并且由于单晶蓝宝石衬底的表面硬度远大于非晶氧化硅[19,20], 推测在摩擦的过程中, 针尖表面的氧化硅层被磨损掉露出裸露的单晶硅层, 随后在摩擦的过程中, 单晶硅针尖表面与单晶蓝宝石衬底之间相互摩擦表现出90°周期的摩擦分量信号.

      • 3.3.   单晶蓝宝石衬底表面变负载摩擦测试

    • 为了研究单晶蓝宝石衬底表面摩擦力对负载的响应情况, 在单晶蓝宝石衬底表面进行变负载摩擦测试. 图4(a)为单晶蓝宝石衬底表面变负载摩擦图谱, 可以观察到当负载从9.09 nN增至18.18 nN后, 摩擦力随之减小, 当继续升负载至36.36—72.72 nN, 摩擦力随之增大, 整体摩擦力随负载变化表现出先减小后增大的趋势. 图4(b)为单晶蓝宝石衬底表面变负载偏离角$ {\theta }_{\text{Misangle}} $图, 可以发现与图4(a)中摩擦先减小后增大的趋势相反, 偏离角$ {\theta }_{\text{Misangle}} $随负载表现出先增大后减小的趋势, 因此在摩擦的过程中90°周期的各向异性摩擦力$ {F}_{{{90}^{{^{\circ}}}}} $占总摩擦力的比例先增大后减小. 为了分析不同负载下蓝宝石表面各周期摩擦信号变化情况, 对其进行解耦. 各向同性分量$ {F}_{v} $随负载变化情况如图4(c)所示, 其中各向同性摩擦力随负载表现出显著先减小后增加的趋势, 可能是由于单晶蓝宝石衬底表面存在大量吸附物[21–23], 小负载下随负载增加表面吸附物的扫除效应[24]变大, 使表面吸附物减少, 因此导致各向同性摩擦力$ {F}_{\text{v}} $减小. 当负载从9.09 nN增至72.72 nN的过程中, 其各向同性摩擦力增大. 90°周期各向异性摩擦分量$ {\boldsymbol{F}}_{90{^{\circ}}} $随负载变化情况如图4(d)所示, 与$ {F}_{\text{v}} $类似$ {\boldsymbol{F}}_{90{^{\circ}}} $表现出类似的随负载升高先减小后增大的趋势, 但变化量相对$ {F}_{v} $较小. 因此偏离角$ {\theta }_{\text{Misangle}} $主要受各向同性摩擦分量$ {F}_{\text{v}} $随负载变化影响.

      • 3.4.   热处理单晶蓝宝石衬底表面摩擦测试

    • 我们对单晶蓝宝石衬底进行热处理并对其进行摩擦测试. 图5(a), (b)分别为热处理后单晶蓝宝石衬底表面光学显微镜图和AFM形貌表征图, 受表面取向差的驱动[25], 原子通过扩散形成高度约为0.3 nm的台阶结构, 以降低表面自由能, 该结果与文献[26]报道一致. 进一步对其进行摩擦测试, 如图5(c)所示, 可以观察到经过退火处理后单晶蓝宝石衬底表面摩擦力增大, 并且表面新出现显著的周期为180°的各向异性摩擦力分量. 图5(d)为退火处理后单晶蓝宝石衬底表面偏离角$ {\theta }_{\text{Misangle}} $图, 可以发现热处理后单晶蓝宝石衬底表面90°周期各向异性摩擦分量占比减小, 新出现的180°周期各向异性摩擦分量占比较大, 主导了热处理蓝宝石表面各向异性摩擦性质. 新出现的180°周期各向异性摩擦分量幅值为24.77 nN, 显著大于由测量误差引起的180°周期信号, 且相位和测量误差引起的180°周期信号不同. 结合图5(b)中退火蓝宝石表面具有的平行线性台阶结构, 因此新出现的180°周期摩擦分量信号来源于其表面台阶对摩擦的贡献.

    4.   结　论

    • 本文使用2DFF-AFM方法研究非晶氧化硅、单晶蓝宝石衬底两种材料表面的周期性摩擦力. 结果表明: 硅探针与非晶氧化硅表面摩擦基本表现为各向同性. 当硅针尖与单晶蓝宝石衬底进行摩擦时, 由于单晶蓝宝石衬底表面具有更高的硬度, 其针尖表面的氧化层出现磨损, 因此在摩擦力图中出现与硅晶格相关的90°周期摩擦力分量. 硅针尖与单晶蓝宝石间各向同性与各向异性摩擦分量受负载调控, 随负载增大, 总摩擦力出现先减后增的趋势, 并且各向异性摩擦力的占比出现先增后减的趋势. 此外, 在对单晶蓝宝石衬底进行退火处理后, 其表面出现台阶, 并与硅针尖摩擦力中出现新的显著的180°周期摩擦分量, 并在各向异性摩擦分量中占主导, 表明了台阶等表面周期结构对摩擦各向异性显著的影响. 本研究为摩擦测试提供了一种新的方法, 对材料进行更全面的测试分析, 为关联理解材料具体结构和摩擦性质与机理提供一种创新研究方法.

    参考文献 (26)

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