Лишь в последнее время начало возникать понимание сути воздействия влажности на эти материалы на наноуровне. Например, в случае работы иглы АСМ из Si3N4 на DLC пленке, созданной методом ионного осаждения источника плазмы, трение при отсутствии износа изменяется монотонно и может обратиться при увеличении относительной влажности (RH) от <5% до 60%, и увеличивается при более высокой влажности. Это соответствует примерно 40% увеличению сопротивления сдвигу на границе. Удивителен тот факт, что адгезия демонстрирует отсутствие зависимости от RH. Эти результаты показывают, что традиционная картина формирования мениска, ведущего к усилению трения и адгезии, не отображает в действии механизм этой системы, так как адгезия должна изменяться в зависимости от RH. Авторы предполагают, что поглощенная из окружающей среды вода, очевидно, повышает сопротивление сдвигу. Группа Шварца (Schwarz), использовавшая покрытые углеводородом иглы АСМ, обнаружила, что фрикционные свойства алмаза и аморфного углерода бывают различными в условиях атмосферы (при RH на уровне 40–60%) и сухого Ar. Самое высокое сопротивление сдвигу на границе было обнаружено у a-C в условиях атмосферы. Следующий по уровню показатель продемонстрировал алмаз при аналогичных условиях, затем - a-C в условиях сухого Ar, и, наконец, алмаз в условиях сухого Ar. Также в условиях сухого Ar наблюдается ослабление сил адгезии. Благодаря им усиление трения в условиях окружающей среды можно отнести к присутствию воды на поверхности образцов. Также их присутствие позволяет предположить, что большое значение может иметь загрязнение поверхности при контакте с окружающими условиями. Оба этих исследования качественно соответствуют моделям МД группы Ганга (Gang), обнаружившей, что поглощение третьих тел (например, углеводородное загрязнение) на чистых поверхностях несоразмерных кристаллов или аморфных материалов может усилить статическое трение. Захваченные молекулы скапливаются в местах усиления трения на границе, которое в ином случае было бы чрезвычайно низким на этих несоразмерных поверхностях. Также были рассмотрены другие поглощаемые элементы. MD симуляции с молекулами метана на участке между двумя поверхностями Н-покрытого алмаза демонстрируют, что трение ослабевает в сравнении со скольжением при их отсутствии. Колебания кристаллической решетки, происходившие на поверхностях алмаза, определяют зависимость между трением и нагрузкой. При отсутствии метана повышение нагрузки увеличивает колебательное возбуждение кристаллической решетки и, следовательно, трение. После захвата метана между поверхностями колебательное возбуждение, инициированное в верхней части кристаллической решетки алмаза скольжением, очень мало, что в результате приводит к более низкому сопротивлению против скольжения. Воздействие материала подложки, толщины и шероховатости поверхности К другим важным факторам относятся толщина пленки, шероховатость подложки и жесткость подложки. Покрытия подложки, состоящие из твердого углерода, представляют особый интерес для области производства жестких дисков. Многие группы сообщали, что для покрытия необходимо найти критическую толщину пленки (обычно >5 нм), чтобы можно было получить исключительные свойства трения и износа на наноуровне, которыми могут обладать эти материалы. К тому же, шероховатость и модуль подложки могут повлиять на свойства покрытия. В результате шероховатость подложки передается покрытию способом, аналогичным тому, как ta-C и DLC пленки покрывают подложку. Более низкий уровень упругости подложки может стать причиной изгиба под действием применяемых нагрузок, что может привести к увеличению зоны контакта и, следовательно, трения. Так как толщина покрытия достигает действительной нижней границы, проблемой становится определение внутренних свойств и функциональных возможностей покрытий для применения в областях, где требуется устойчивость к износу и коррозии. Углеродные наноиглы
Стандартные коммерческие консоли с внедренными иглами (обычно из Si или Si3N4) часто ломаются, когда иглы резко вступают в контакт или когда они скользят вдоль истираемой поверхности при высоких нагрузках. Также они могут легко загрязниться. Использование материалов из твердого углерода, например алмаза, при изготовлении АСМ позволяет создать острые, износостойкие, устойчивые и инертные образцы поверхностей для исследований на наноуровне в областях трибологии и электричества. Более десяти лет различные исследовательские группы изготавливали эти АСМ-иглы из алмаза и твердого углерода. Для изготовления алмазных игл использовались такие методы как: выращивание алмазных поликристаллов на кончиках игл стандартных консольных АСМ для ослабления степени ухудшения механических свойств, травление фокусированным пучком ионов (FIB) В-активированных игл алмазного АСМ для определения электрических параметров, а также изготовление групповым методом алмазных и CVD-алмазных игл с использованием технологий литья для воспроизводимого производства острых (радиус кривизны <20 нм) игл с хорошим соотношением размеров, применимых при создании изображений высокого качества. При количественной оценке было продемонстрировано, что характеристика изнашивания игл, покрытых кристаллическим алмазом, включает в себя первоначальное удаление a-C, присутствующего на поверхности, и впоследствии приводит к постепенному изнашиванию иглы на поверхности из Si3N4 (Рис. 10). Сложной проблемой является неспособность создать на игле непрерывное алмазное покрытие (так как алмазные пленки с трудом образовывают ядра на Si) и/или последующее расслоение пленки во время использования. Другие исследователи создавали на иглах жесткие a-C покрытия (Рис. 11). Прочность этих покрытий была продемонстрирована сканированием поверхностей из монокристаллического алмаза при существенном контактном напряжении и отсутствие изменений, видимых через просвечивающий электронный микроскоп (TEM). Таким образом, если на пленке нет разрывов, и она хорошо нанесена, то ее эффективность очень высока. Это означает, что иглы на углеродной основе очень перспективны не только для более серьезного изучения нанотрибологии углерода, но также и для всех областей, в которых применяются более сложные, надежные и требовательные микроскопы со сканирующими зондами.
Рис. 10. Полученные на сканирующем электронном микроскопе микрофотографии образца в алмазной оболочке (а) до и (b) после прохождения расстояния скольжения в 450 мм на образце Cu с добавлением наклонного изображения.
Рис. 11. Полученные на просвечивающем сканирующем микроскопе микрофотографии различных игл со сферическими вершинами, которые были подготовлены с использованием разложения, обусловленного электронными пучками, внутри TEM. Перспективы
Удивительная междисциплинарная наука нанотрибологии совмещает в себе инструменты и идеи физики, механики, материаловедения, химии и других отраслей. По-прежнему многое предстоит узнать в ходе экспериментов и симуляций, включающих в себя трибологическое взаимодействие этих многообразных углеродных материалов. Проблемой остается вопрос связывания между собой характеристик трения на нано-, микро- и макроуровнях. Продолжительность и временные масштабы нанотрибологических экспериментов и молекулярных симуляций различаются на порядки. Необходимо повысить степень контроля и определения параметров иглы АСМ, что уже происходит в самых последних исследованиях.
Ученые, при помощи сложных экспериментальных методик и новейших вычислительных технологий, продолжают обнаруживать неожиданное и захватывающее поведение. Все более очевидной становится важность определение параметров структуры материала и условий окружающей среды. По мере развития технологий изготовления специализированных углеродных материалов должно расширяться наше понимание физических источников трения, адгезии, рассеяния энергии и износа на атомном уровне.
Любовь Олиферова
www.newchemistry.ru |
