[pt] Neste trabalho foi estudado o atrito em escala nanométrica em materiais
atomicamente finos, como o grafeno e os dicalcogenetos de metais de transição
(TMD) como o dissulfeto de molibdênio (MoS2) e o dissulfeto de tungstênio
(WS2). Para tanto, foi utilizado um microscópio de força atômica (AFM), de
modo que uma ponta de nitreto de silício suportada por uma haste (cantiléver)
é deslizada sob a superfície do material em análise, e o atrito é quantificado
de acordo com a deformação lateral da haste. Diferentes parâmetros foram
alterados durante a varredura para verificar suas influências, tais como a força
normal aplicada durante a varredura e a velocidade relativa em que o sistema
ponta-amostra desliza. Parâmetros relativos às superfícies, como número de
camadas, rugosidade e adesão também foram investigados. Com a variação da
velocidade de deslizamneto, verificamos uma dependência linear com o logaritmo
da velocidade, até um ponto de saturação. Esta dependência é amplificada
de acordo com o número de camadas do grafeno, de modo que numa monocamada
essa inclinação é mais acentuada do que nas demais camadas. Usando o
modelo de Prandtl-Tomlinson termicamente ativo, conseguiu-se determinar o
potencial de interação entre a ponta do AFM e a superfície analisada, as forças
críticas em que a saturação do atrito ocorre e a frequência estipulada com que
os eventos de superação da barreira de pontecial acontecem. Com a variação
da força normal aplicada, os resultados mostram que grafeno e MoS2 seguem
o modelo Johnson-Kendall-Roberts (JKR) de mecânica de contato, enquanto
o WS2 segue o modelo Derjaguin-Muller-Toporov (DMT). Para explicar tal
diferença, uma hipótese associada ao efeito piezoelétrico é estipulada. Ademais,
foi observado que a contaminação das superfícies de grafeno por adsorção de
hidrocarbonetos pela exposição ao ar aumenta o atrito medido, e altera sua
relação à carga aplicada. Os estágios iniciais da contaminação foram observados,
e notou-se que esta se propaga da monocamada para as demais camadas
da folha de grafeno, com diferentes taxas de área contaminada por tempo. / [en] In this work, the friction mechanism at the nanoscale of atomically thin
materials such as graphene, transition metal dichalcogenides (TMD) such as
molybdenum disulfide (MoS2) and tungsten disulfide (WS2), and muscovite
mica was studied with the use of an atomic force microscope (AFM). The AFM
scans these materials surfaces with a silicon nitride tip which is attached at the
end of a cantilever. The tips slides through the surface and friction is measured
by the torsional deflection of the cantilever. Parameters such as applied normal
load and sliding speed were varied in order to verify their influences. Surfaces
properties such as number of layers, roughness and tip-sample adhesion were
also analyzed. The sliding speed experiment shows a linear dependence with
the logarithm of the scanning velocity, until friction reaches a saturation
point, where it remains the same even at higher velocities. Such dependence
is amplified with the number of graphene layers, as a monolayer presents a
steeper curve than few layers graphene. The data was fitted using the thermally
active Prandtl-Tomlinson model and the tip-sample interaction potential was
estimated, as well as the critical forces at which friction saturation occurs and
the hop frequency at which a potential barrier is surpassed. In the applied
normal load experiment, results shows that both graphene and MoS2 follow
the Johnson-Kendall-Roberts (JKR) model, while WS2 and mica follows the
Derjaguin-Muller-Toporov (DMT) model. In order to explain the different
behavior in both TMDs samples, a hypothesis associated with the piezoelectric
effect is proposed. Furthermore, the influence of airborne contamination in the
friction of graphene was studied. Results shows that the contact mechanics
is altered due to adsorbed hydrocarbon molecules on the graphene flakes.
Initial stages of contamination shows that it propagates from the monolayer
to subsequent layers, with a different contaminated area over time rate.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:puc-rio.br/oai:MAXWELL.puc-rio.br:51020 |
| Date | 28 December 2020 |
| Creators | FELIPE PTAK LEMOS |
| Contributors | RODRIGO PRIOLI MENEZES |
| Publisher | MAXWELL |
| Source Sets | PUC Rio |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | TEXTO |
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