垂直石墨烯片 (VGs) 共價鍵合到金剛石基底上，可以表現出超高的機械強度，防止刮擦、摩擦和壓縮和壓縮方面具有超高的機械魯棒性。

近日，上海交通大學沈彬沈彬教授等相關研究人員使用金剛石探針進行了 AFM 測試，以研究在金剛石基底上制造的 VGs 薄膜的界面力學性能。VGs與金剛石之間獨特的鍵合結構，具有超強的C-C共價鍵，即使在高達53.7 GPa的接觸壓力下，也能有效抑制VGs從金剛石基底上拔起。盡管在超過 25 GPa 的接觸壓力下石墨烯片不可避免地斷裂，但斷裂的石墨烯片殘留物仍然可以作為機械堅固的 VGs 薄膜，它們保留了它們與金剛石基底的共價鍵。此外，在長時間 AFM 摩擦試驗中，VGs 的摩擦系數穩定在0.03左右，比磨損率低至2.0 × 10?4 mm3/Nm，幾乎可以忽略。由于相鄰石墨烯片之間的相對滑動被 VGs 和金剛石基底之間的界面共價C-C鍵抑制，壓縮后的壓縮的 VGs 薄膜轉變為鱗片狀結構，由致密堆疊的石墨烯片組成，內部形成一定濃度的sp3 鍵(高達8%)。這種結構具有極高的彈性模量和抗壓強度，主要歸功于VGs在摩擦和壓縮時表現出的超高穩定性和可持續性。本研究提出的研究結果有望促進 VGs 和金剛石在電子、光學、機械和摩擦學領域的結合使用。

相關研究成果以“ Ultrahigh mechanical robustness of vertical graphene sheets covalently bonded to diamond” 為題，發表在Carbon 上。（https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.09.046）

圖1. 與金剛石基體共價結合生長的 VGs 的表征。

(A) 生長 VGs 邊界附近區域的 SEM 圖像。插圖是生長的 VGs 的頂視圖 SEM 圖像。(B) 從裸金剛石和生長的 VGs 表面獲得的拉曼光譜。(C) AFM 形貌以及 VGs 邊界的 2D 表面輪廓交叉，標記為白色虛線，從中測量到的生長 VGs 的高度為 200 nm。(D) 生長的石墨烯納米片的測量高度和長度分布。

圖2. AFM 劃痕測試

圖3. VGs 邊緣 AFM 劃痕的 MD 模擬。

(A) 仿真模型說明。(B) 當金剛石尖端以各種法向載荷掃描時，頂層石墨烯納米片的斷裂。(C) 在兩個周期的劃痕模擬 (400 nN) 期間六個典型時刻的快照。

圖4. 100 次循環 AFM 劃痕測試的結果

圖5. AFM 摩擦測試

圖6. VGs表面平沖壓痕的實驗結果

圖7. 石墨烯-金剛石共價異質結構在壓縮下的響應

審核編輯 ：李倩