石墨烯的物化性質在帶電摩擦界面下的變化
113年10月11日
【本篇報導由物理學系 邱顯智教授研究團隊提供】 研究團隊利用了原子力顯微術探討了最知名的二維材料之一，單層石墨烯，在帶電摩擦界面下的物理與化學性質的變化。帶電摩擦界面指的是當兩個材料表面在接觸且產生摩擦行為時，在兩接觸面之間將加有偏壓。這樣的系統會出現在重要應用中比如馬達的電刷，可以讓電流或電訊號經此帶電摩擦界面進行傳導。由於石墨烯有作為電極保護層或直接取代傳統光電元件電極的潛力，因此了解它在帶電摩擦接觸下物化的性質變化是個很重要的課題。研究發現，當石墨烯與導電式原子力顯微鏡探針互相摩擦時，奈米尺度的毛細現象會使探針與石墨烯的表面間產生毛細水橋。而加在探針上的偏壓會使水橋中的水分子電解，進而使石墨烯氧化。此外，在探針上加了偏壓後，電荷會經石墨烯的結構缺陷穿隧到石墨烯下方，產生所謂的穿隧摩擦起電現象，並影響石墨烯的電學性質如功函數。本研究探討了石墨烯在帶電摩擦接觸下的物理與化學特性會如何受到環境溼度、毛細水橋的產生與結構缺陷的影響。本研究結果對石墨烯於電極的保護層與取代傳統電極材料的應用與設計上，將有重要的影響。本研究工作並獲選為ACS Applied Materials & Interfaces該期的期刊封面。 在我們的日常生活中，摩擦界面是無所不在的。不管是我們在走路、騎車或只是拿張衛生紙擦桌子，摩擦現象都會時時刻刻出現在我們的生活中。在乾燥的冬天裡，當我們在黑暗的房間脫下毛衣時，也可能看到或聽到因摩擦起電所產生的火花。然而，即使在科技發展如此迅速先進的21世紀，人們對摩擦界面在奈米尺度的物理現象如摩擦力或是摩擦起電的理解仍很粗淺。 本研究中的「帶電摩擦界面」指的是當兩個材料表面接觸且有相對運動時，接觸面間是加有偏壓的。這樣的系統會出現在重要應用中如馬達的電刷，可以讓電流或電訊號經此帶電摩擦界面進行傳導。除了在各式新穎光電元件的應用外，最知名的二維材料石墨烯因其獨特且優異的物理特性也能被用來當作電極的保護層，或直接取代傳統電極使用。因此，了解石墨烯在帶電摩擦界面下物化性質的變化對相關應用有重要影響。但相關研究在文獻中卻相當稀少。 如圖一所示，一般材料表面在奈米尺度下是有粗糙度的，並非百分之百的平整。因此在大氣環境下，當兩材料表面接觸時，界面「凸點」的空隙可能因奈米尺度的毛細現象而產生毛細水橋，進而增加兩材料表面的摩擦力。隨著大氣溼度增加，毛細水橋的大小也會跟著增加，並進一步的影響兩表面間的奈米摩擦特性。 圖一：奈米尺度的粗糙度與奈米毛細水橋示意圖。 原子力顯微術是個可以利用奈米尺度的探針針尖來檢測材料表面性質的技術。對於奈米尺度的摩擦性質來說，它是一個不可或缺的利器。如圖二(a)所示，研究團隊可以利用加上偏壓的探針來摩擦石墨烯的表面以模擬「帶電接觸」的動態界面。由於毛細水橋的產生，當在探針上加上偏壓時，水分子將會被電解。電解水所產生的氫氧根也將氧化石墨烯的表面，產生不同的含氧官能基，並進一步改變石墨烯表面的電性與化學性質。在此狀況下，石墨烯如果被用作電極，是很可能因帶電接觸而氧化，變成完全不導電。又如圖二(b)所示，在探針摩擦石墨烯的過程中，電荷可以經由石墨烯的結構缺陷穿隧到石墨烯下方。這個新穎的物理現象被稱為穿隧摩擦起電，並將導致石墨烯的電學性質如功函數產生變化。 圖二：(a)加上偏壓的探針與水橋示意圖；(b)帶電摩擦界面下的穿隧摩擦起電現象。 研究團隊探討了石墨烯在帶電摩擦接觸下的物化特性會如何受到溼度、毛細水橋與結構缺陷的影響。本研究結果對石墨烯於電極的保護層與傳統電極材料的應用上，預期將有重要的影響。本研究工作並獲選為ACS Applied Materials & Interfaces該期的期刊封面如圖三。 圖三：本論文獲選為ACS Applied Materials & Interfaces期刊封面。 原文出處： Huang, S. D., Chu, E. D., Wang, Y. H., Liou, J. W., Wang, R. S., Woon, W. Y., & Chiu, H. C.(2022). Variations in the Effective Work Function of Graphene in a Sliding Electrical Contact Interface under Ambient Conditions. ACS Applied Materials and Interfaces, 14(23), 27328-27338. https://doi.org/10.1021/acsami.2c02096