Virkninger af ruhed i atomskala på adhæsion mellem diamantoverflader

CNST-projektleder Rachel Cannara og samarbejdspartnere fra United States Naval Academy (USNA) og University of Pennsylvania har vist, at atomare overfladeruhed har en stærk indflydelse på adhæsion for diamant, amorft kulstof, og model diamant nanokompositter.

Ved hjælp af atomic force microscope (AFM) målinger udført ved University of Wisconsin-Madison, molekylær dynamik (MD) simuleringer, og ab initio densitet funktionel teori (DFT), de undersøgte den adhæsive fysik og mekanik af nanoskala-grænseflader mellem diamantoverflader.

Til atomisk glatte overflader, den større tæthed af atomer i (111)-planet ville forventes at føre til et højere elektrostatisk dipolmoment pr. arealenhed og et højere adhæsionsarbejde end (001)-orienteringen. Imidlertid, AFM-målingerne, understøttet af detaljerede simuleringer af model diamant nanokompositter, udfordre denne antagelse på en måde, der kun kan forklares ved variationer i overfladeruheden på atomniveau, som for enkeltkrystaller kan opstå fra orienteringsafhængige vækstmekanismer.

I modsætning til tidligere ab initio undersøgelser, der sammenlignede overfladeenergier for diamant (111)(1×1)-H overflader og ikke-rekonstruerede diamant (001)(1×1)-H overflader, MD-simuleringerne udført på USNA simulerer den (2×1)-rekonstruerede C(001)-H overflade. Simuleringerne forudsiger, at C(001)(2x1)-H overfladen er energetisk gunstig for den ikke-rekonstruerede overflade. Bekræftelse af disse simuleringer, højpræcision AFM lateral kraftbilleder af (001) overflade afslørede (2×1) dimer-række domæner.

Ud over at bruge den passende (001) overfladestruktur, MD-simuleringerne tager højde for langrækkende van der Waals-interaktioner, samt overfladeenergier, ved beregning af vedhæftningsarbejdet for hver grænseflade. I øvrigt, ab initio DFT-beregningerne afslører tilstedeværelsen af ​​bindingsdipoler på enkeltkrystal diamantoverflader.

Ved hjælp af AFM, grænsefladens kontaktmekanik blev ekstraheret fra belastningsafhængigheden af ​​kontaktområdet under glidende friktionseksperimenter. Adhæsionsværker blev derefter beregnet ud fra den passende kontaktmekanikmodel og fra aftrækskræfter målt under glideeksperimenterne og kvasistatiske kraft-forskydningsmålinger. Disse resultater har brede implikationer for designet af MEMS/NEMS-enheder, der inkorporerer diamant- eller diamantlignende materialer.