原子力显微镜在摩擦学研究领域大有可为
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原子力显微镜，利用一个微悬臂梁探针和样品表面发生相互作用，能够测试样品纳米尺度的表面形貌，是材料、芯片制造检测领域不可或缺的技术。通常大家不知道的是，该技术在摩擦学领域也有非常重要的发挥空间。
在原子力显微镜中，样品和探针的作用力是通过检测微悬臂梁的偏转获得，悬臂梁的偏转大小则通过激光反射的光斑的移动大小得到。入射激光照射到悬臂梁的背面反射的激光光斑照到光电探测器上(Quadruple)，光电探测器有x和y两个轴。
如图1所示，针尖和样品的竖直方向作用力会使得悬臂梁弯曲，导致光斑在y轴上发生位移；如果针尖和样品之间有摩擦力，那么就会造成悬臂梁扭转，则会导致反射光斑在x轴向发生位移。摩擦力越大，微悬臂梁的扭转就越大，相应的反射光斑在X轴的位移就越大。
图1. 摩擦力造成微悬臂梁发生扭转，使得反射激光光斑在X轴偏移
通过这种方式，我们可以利用原子力显微镜来测试针尖和样品之间的摩擦力，得到摩擦系数，分析样品不同区域摩擦系数的大小。这有哪些用处呢？用处非常广，让我们细细道来。
一
摩擦学是一个非常古老的学科，简单的说就是研究相对运动的两个表面的摩擦、磨损、和润滑。人类社会的很多能源都消耗在了摩擦过程，很多机器由于磨损无法正常运行。这里引用雒建斌院士在陈嘉庚科学奖活动演讲中的原话，“摩擦消耗了人类一次能源的1/3，80%的设备失效是磨损引起的。两者的损失相当于国民生产总值GDP的 2%-7%。2019年我国GPD总量是99万亿元，按照5%的比例，那么摩擦磨损就造成GDP损失了4.95万亿元”。
宏观尺度摩擦学的规律和微纳米尺度摩擦学规律有很大不同。如果把两个表面接触放大，可以看到我们理想中的接触是不存在的，表面肯定存在粗糙度，真正的两个表面接触是很多微凸体(asperity contact)。原子力显微镜探针可以模拟真正意义上的单点接触。如图2所示，原子力显微镜探针针尖的直径在几纳米到几百纳米之间，尺度非常符合单个接触点的纳米摩擦学测试要求。
在宏观尺度上，摩擦力和接触面积、相对运动速度都没有关系。但是这些到了微观尺度都不成立了，因此需要精准测试微纳米尺度摩擦力，进行机理的研究。原子力显微镜就是一个非常好的工具。它的第一个优势，探针的针尖只有10纳米左右，相比于传统宏观尺度的摩擦测试，我们可以得到x-y精度在10纳米的摩擦力的测试，同时一般AFM探针在 1N/m， 一般得到的位移在0.1nm, 所以探测到的摩擦力也在pN-µN， 10-12 ~ 10-6 牛，这也是宏观尺度下很难测到的极小的摩擦力。
二
评估不同固体润滑材料的性能，尤其是最近很火的以石墨烯为代表的二维材料。可以通过AFM球探针来精准测试不同材料之间的摩擦力。如下图所示，清华团队报道了摩擦系数0.003的超低摩擦系数
如图所示，哥伦比亚大学和宾夕法尼亚大学联合团队利用AFM研究了二维材料不同层数对二维材料之间摩擦系数的影响，发现层数越高，摩擦力越小。因为层数很低的二位材料在摩擦的时候，容易形成Pluckering起皱现象，材料会被“抓”起来，消耗更多能量，展现出更大的摩擦系数。
IBM苏黎世实验室科学家利用冷焊(Cold Welding)技术，在导电AFM针尖和石墨上的金属盘之间施加1秒钟1mA电流，100nN的力，可以将针尖固定在金属盘上，这样就可以测试石墨层间横向的剪切力。如图所示，能够测出石墨层间的结合势能 0.027焦耳每平方米。
三
第一、AFM中可以施加的滑动速度比真正MEMS微机械中的速度慢2-4个数量级。
第二、一般使用的AFM探针针尖在10纳米左右，那么如果施加100nN的力，在针尖产生的应力就在 100nN/(10nmx10nm)=1 GPa左右。这又比真实的MEMS微机械器件接触的应力高了好几个数量级。
第三、AFM探针由于尖端非常尖和细，很容易磨损，造成不可预测的针尖形状，这给实验又增加了很大误差。
第四、AFM只能测试单点的摩擦，在更大的尺度上包含很多点摩擦，而且这些接触的点一直在变化，磨损，破坏，剪切，塑性形变，如何从单点的摩擦行为，预测很多点的整体摩擦行为也是一个非常大的挑战。
四
探生科技（诸暨）公司研发的独一无二的纳米球探针，在这个领域有非常好的应用。我们的针尖尖端是一个非常完美的球面，很光滑，粗糙度只有0.28纳米，且是中空结构，非常耐摩擦磨损，在摩擦的时候还可以吸收一部分能量，进一步减小磨损。所以在研究摩擦的时候可以保证针尖形貌几乎变化，提供稳定可靠的摩擦力，吸附力等测试， 下图对比了普通尖探针和纳米球探针在施加同样的竖直力100nN情况下，在单晶硅衬底上摩擦了1米的距离，可以看到普通尖探针的尺寸从7纳米变成了几百纳米；而球探针的尖端形貌没有很大变化，只是由于摩擦产生了一些表面化学反应粘了一点东西，能提供稳定的测试结果。
在探生科技，让我们携手前行，期待在下一篇文章中继续我们的探索之旅。
