Influence of interface structure on the nanotribological properties of exfoliated graphene

Nano ve mikro ölçekte sürtünmeyi en aza indirgemek amacıyla sıvı kayganlaştırıcıların kullanımı, yüksek seviyelerde gerçekleşen yüzey gerilimi ve ilgili etkilerden dolayı mümkün olmamaktadır. Bu kısıtlamayı aşmak için nano ve mikro boyutlu sistemlerde kullanıma uygun katı kayganlaştırıcılara ihtiyaç duyulmaktadır. Üstün mekanik özelliklere sahip iki boyutlu bir malzeme olan grafen, bu amaç için uygun bir aday olarak ortaya çıkmaktadır. Yukarıda sunulan argümanlar ışığında, bu yüksek lisans tezi, mekanik soyma yöntemiyle elde edilen grafenin nanotribolojik özelliklerinin atomik kuvvet mikroskopisi (AKM) vasıtasıyla incelendiği ve özellikle arayüz yapısının etkisine vurgu yapılan kapsamlı bir araştırma sunmaktadır. Mekanik soyma yöntemi ile tek- ve az-katman grafen numuneler oluşturulup Si/SiO2 alttaşlar üzerine aktarılmıştır. Optik mikroskopi ve Raman spektroskopisi kullanılarak, tek- ve çift-katman grafen numuneler teşhis edilmiş ve yerleri saptanmıştır. Ayrıca, AKM yöntemiyle elde edilen topografik haritalar ve ilintili kesitler kullanılarak 3- ve 4-katman grafen numuneler ile yığın grafit olarak tanımlanabilecek bölgeler bulunmuştur. Dahası, AKM uçları oda koşullarında temaslı kipte kullanılacak şekilde, hem hassas normal kuvvet ölçümleri almak, hem de yanal kuvvet ölçümlerinden kantitatif sürtünme kuvveti verileri elde edebilmek adına kalibre edilmiştir. Numune hazırlama, tanımlama ve AKM uç kalibrasyonunun ardından, uygulanan dikey kuvvetin tek-, 2-, 3-, ve 4-katman grafenin sergilediği sürtünme davranışına etkisini belirlemek adına deneyler gerçekleştirilmiş, elde edilen sonuçlar literatürde rapor edilen ve buruşma etkisiyle açıklanan mevcut verileri doğrulamıştır. Ek olarak, AKM uç yarıçapının ve dolayısıyla temas alanının grafenin sürtünme davranışına olan etkisi kantitatif olarak değerlendirilmiştir. Bu amaçla, ısıl buharlaştırma ve PECS (hassas dağlama ve kaplama sistemi) yöntemleri kullanılarak AKM uçları üzerine altın kaplanmış ve uç yarıçapları böylece büyütülmüştür. Bu şekilde elde edilen deney sonuçları, grafenin sürtünme özelliklerini etkileyen yeni bir değişkenin tespitini sağlamıştır: arayüz pürüzlülüğü. UC Merced bünyesinde çalışmalarını yürüten bilim insanlarıyla iş birliği sonucu elde edilen ve burada sunulan deneysel sonuçları destekleyen moleküler dinamik simülasyonları da kullanarak, alttaş pürüzlülüğünün grafenin sürtünme davranışına etkisi analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, bahsi geçen etkinin, buruşma etkisine ek olarak veya ona baskın olacak şekilde tezahür ettiğini ortaya koymaktadır. Sunulan deneysel sonuçlar, grafenin katman sayısına bağlı sürtünme davranışında, literatürde iyi incelenmiş olan buruşma etkisine ek olarak alttaş pürüzlülüğünün de etkisini vurgulayan yeni bir bakış açısı getirmektedir.