稀土纳米薄膜的制备及其摩擦学性能研究

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1、上海交通大学硕士学位论文稀土纳米薄膜的制备及其摩擦学性能研究姓名：周华申请学位级别：硕士专业：机械工程指导教师：程先华;林军20071001上海交通大学工程硕士学位论文摘要稀土纳米薄膜的制备及其摩擦学性能研究摘要微型电子机械系统（MEMS）作为20世纪末新型科学技术，发展十分迅速。MEMS基体的摩擦磨损和润滑对整个MEMS系统的稳定性和寿命起着决定性作用。自组装薄膜(SAMs)具有制备工艺简单、减摩抗磨性能优异等特点。本项研究工作采用自组装技术，在二氧化硅和单晶硅片表面生成致密有序的3-巯丙基三甲氧基硅烷自组装

2、膜（MPTSSAM），并在其表面巯基官能团（－SH）氧化为磺酸基官能团（－SO3H）后，在－SO3H上自组装镧基稀土纳米薄膜。利用稀土元素与非金属元素的强亲和力在基片表面与薄膜间产生化学键合，从而获得低表面能并具有优异润滑特性的稀土纳米薄膜以降低基片的微摩擦磨损。通过实验研究和理论分析，探明稀土自组装薄膜的制备机理以及稀土薄膜的摩擦学性能。运用原子力显微镜（AFM）观察了薄膜的表面形貌，使用X射线光电子能谱仪（XPS）分析了薄膜表面典型元素的化学状态，并运用静－动摩擦系数测定仪评价了薄膜的摩擦磨损性能。本论文针

3、对微机电系统中微构件表面改性问题，根据稀土元素特殊的物理化学性质，运用自组装技术制备了具有优异摩擦学性能的稀土纳米薄膜。第一，采用分子自组装技术在羟基化后的玻璃和单晶硅基片表面制第I页上海交通大学工程硕士学位论文摘要备了稀土纳米薄膜。第二，运用原子力显微镜（AFM）观察了薄膜的表面形貌、X射线光电子能谱仪（XPS）分析了薄膜表面典型元素的化学状态、接触角测定仪评价了其表面能，研究了稀土纳米薄膜的组装机理。研究结果表明：通过稀土元素与有机硅烷表面的磺酸基官能团反应，可以使稀土元素与基底之间形成化学键合，从而有效地

4、提高稀土纳米薄膜与基底之间的结合力。第三，系统深入地研究了稀土纳米薄膜的摩擦磨损性能。研究结果表明：稀土纳米薄膜具有优异的减摩抗磨性能。第四，利用原子力显微镜研究了稀土纳米薄膜微观磨损性能。研究结果表明：稀土元素与磺酸基间具有较高的界面强度，稀土纳米薄膜具有较强的承载能力和优异的减摩抗磨性能。本论文成功地利用自组装技术制备了稀土纳米薄膜，运用原子力显微镜、X射线光电子能谱和接触角测定仪等手段对薄膜表面进行了表征，揭示了稀土纳米薄膜组装机理，开拓了稀土表面工程研究的新领域，为稀土纳米薄膜的制备技术在微机电系统中的

5、应用提供了依据。关键词：3-巯丙基三甲氧基硅烷（MPTS），稀土，自组装，摩擦性能第II页上海交通大学工程硕士学位论文ABSTRACTTHEPREPARATIONANDFRICTIONBEHAVIOROFRAREEARTHNANOFILMABSTRACTAsacutting-edgetechnologyinlate20's,MicroElectroMechanicalSystems(MEMS)isdevelopingquiterapidly.TheabrasionandlubricationofMEMSdete

6、rminesthepropertiesofthewholeMEMSsystem,stabilityandlife-span.Self-assembledMonolayers(SAMs)possesscharacteristicsincludingsimplemanufacturingprocess,outstandinganti-abrasionproperties.Self-assemblytechniqueisadoptedinthisresearchproject.After3-Mercapto-prop

7、yltrimethoxysilane(MPTS)thinfilmwaspreparedcompactlyandorderlyonthesurfaceofSiO2andsingle-crystalsiliconwaferand–SHgroupwasoxidizedinto–SO3Hgroup,lanthanum-basedthinfilmsweredepositedontop.Bytakingadvantagesofthechemicalbondestablishedbetweenthesubstratesurf

8、aceandmultilayerthinfilmcausedbythestrongchemicalforcebetweenlanthanumandmetalelement,wewereabletoobtainlanthanum-basedthinfilmsoflowsurfaceenergyandgoodlubricantproperties,thustoreducethemicro-