Nanoscale tribological studies of friction and wear on graphitic surfaces

Abstract

Understanding the atomistic origin of friction forces helps to design more efficient mechanical systems and lubricants. Atomic Force Microscopy (AFM) is a powerful tool for measuring mechanical properties in field of surface science. AFM, beyond imaging the surfaces at nanoscale, can also probe the surface forces down to piconewton forces and thus contribute to our understanding of friction at the atomic scale. In this thesis we present the results of AFM investigations into nanoscale friction anisotropy on graphitic materials and into the mechanical strength of graphene on Pt(111). We have discovered that on graphitic surfaces the friction forces reveal preferred sliding directions. Any deviation from the preferred directions results in a transverse component of friction which forces the slider to move along one of one of the atomic zigzag directions. For sliding on graphene/Pt(111) with increasing load we found three distinct regimes. At very low loads, sliding is entirely elastic and the friction is almost negligible. As load is increased, the platinum substrate undergoes plastic deformation but the graphene layer is unaffected. At very high pressures (> 50GPa) graphene ruptures and loses its protective character.

Das Verständnis der atomaren Grundlagen der Reibung trägt zum Design effizienterer mechanischer Systeme und Schmiermittel bei. Das Atomic Force Microscope (AFM) ist ein wichtiges Instrument für die Bestimmung mechanischer Eigenschaften in den Oberflächenwissenschaften. Über die Abbildung von Oberflächen auf der Nanoskala hinaus vermag es, Kräfte mit Piconewton-Auflösung zu bestimmen und damit das Verständnis der Reibung auf atomarer Skala zu verbessern. In dieser Arbeit stellen wir die Ergebnisse einer AFM-Untersuchung zur Reibungsanisotropie auf graphitischen Oberflächen und zur mechanischen Haltbarkeit von Graphen auf Pt(111) vor. Wir haben entdeckt dass Reibungskräfte bevorzugte Gleitrichtungen auf graphitischen Oberflächen anzeigen. Jede Abweichung von der Vorzugsrichtung führt zu einer transversalen Komponente der Reibungskraft, die ein Gleiten entlang einer der sechs atomaren Zickzack-Richtungen bewirkt. Für das Gleiten auf Graphene/Pt(111) mit zunehmender Auflagekraft haben wir drei Bereiche fest- sgestellt. Bei niedrigen Auflagekräften erfolgt das Gleiten vollständig elastisch und die Reibung ist vernachlässigbar klein. Mit zunehmender Last wird das Platin plastisch verformt während der Graphenfilm intakt bleibt. Bei hohen Drücken (>50GPa) reißt das Graphen und verliert seine Schutzwirkung.