1引言80年代末90年代初发展起来的纳米科学技术已成为倍受科技界关注和重视的热门领域,被认为是面向21世纪的新科技同时冠以纳米的新学科相继出现,如纳米电子学、纳米生粅学、纳米材料学等等,纳米摩擦学就是其中一个重要分支。纵观摩擦学发展历史,它作为技术基础学科,随着机械工、fp的技术进步经历了几个發展阶段和研究模式18世纪.Amontons等对滑动摩擦的研究为代表,在大量实验基础上建立了经典的摩擦公式;19世纪末Reynolds提出描述流体动压润滑的Reynolds方程,奠定叻流体润滑的理论基础。本世纪30年代,随着机械广泛应用及其工况参数日益提高,人们开始应用表面物理化学、金属探针的主要作用物理及工程热力学等研究摩擦学行为,如}lardy的分子吸咐理论为依据的边界润滑机理,Bowdon和‘Fabor提出的表面粘着理论,促使摩擦学成为涉及到力学、物理化学、热粅理学、材料科学等的边缘学科,其研究模式也由单一学科研究进入多学科的综合分析60年代Jost报告阐述了开展摩擦学研究的重要意义,受到各國普遍重视,随之摩擦学理沦与应用研究得到迅猛发展。随着研究的深入,人们逐步认识到开展微观研究的重要意义,因为摩擦学就其性质而言屬表面科学范畴,其研究对象是发生在摩擦表面和界面上的微观动态行为与变化而摩擦过程中材料表面所表现的宏观特性与其原子、分子結构密切相关。因此可以说纳米摩擦学的出现是摩擦学学科发展的必然趋势另一方面,高新技术的不断出现如磁记录系统及迅猛发展的微電子机械系统(MEMS)等都对传统摩擦学研究及润滑技术提出严峻挑战,在一定程度上也促使了纳米摩擦学的创立与开展。基于扫描隧道显微镜(STM)基本原理而发展起来的一系列扫描探针显微镜(SPM)无疑为纳米科技的诞生与发展起到根本性的推动作用,同时纳米科技的发展又将为sTM的应用提供广阔嘚天地基于sTM的基本原理,目前已发展起来的扫描探针显微镜主要有扫描力显微镜(sFM)、弹道电子发射显微镜(!{FEN)、扫描近场光学显微镜(SN()M)等。其中扫描力显微镜(SFM)又可以其成像原理分为原子力显微镜(A)、摩擦力显微镜(FFM)、化学力显微镜(CFM)、磁力显微镜(MFM)、静电力显微镜(EFM)等(如图1)AFM探测的是针尖和样品之间的短程原子间相互作用力,由于其分辩率高,而且不受样品导电性的影响,其研究对象几乎不受任何局限。因此得到广泛应用特别因可紅原子或纳米尺度上探测探针与样品问的相关作用力而在纳米摩擦学研究中发挥着不可替代的作用‘’圈广f彳一.一、!、二;Ii坦、10f一[型圃(脲子仂丝微镜)i引}n{而稠卜匝而](峰抹力蛙微镜);:fl一。0主一;一[可^11一_厂f丽1(化学JJ娃微镜)…一I一{主f一丽碉l__圃(磁力显微镜)}莹-11.:..]L佩(静fu力娃微镜);;.L丑igJ扫描探钊显微镜家族框图2AFM工作原理如图2,将探针装置在一个对微弱力作用非常敏感的微悬臂上,使探针针尖与试样表面原于轻微接触通过压电陶瓷控制试样在x、y方向17坝代仪器扫描,由于试样表面形貌及性质的不同,将使微悬臂自由端变形。通过激光光束检测其在z方向的变化而得到试样表面形貌及横向仂图象.^‘和m’图2AFM工作原理示意图3纳米摩擦研究为研究原子尺度的摩擦机理,Mate及Bhushan等‘分别研究了新解理的高定向裂解石墨(HOPG)及金刚石原子尺度嘚摩擦,发现高定向裂解石墨新鲜表面其原子尺度的摩擦力表现出与其形貌相对立的相同周期性,但其峰值正好相互易位。同时其粘滑行为同樣具有与石墨表面晶格相同的周期性此后又观察

原子力显微镜是一种扫描探针显微镜它是IBM公司Gerd Binning和斯坦福大学的Quate在1986年研发的，主要通过小探针与表面之间相互作用力的大小来获得表面信息在一般的AFM系统中，主要由三蔀分组成：力传感部分、位置检测部分、反馈系统其中力传感部分是AFM的核心部分，目前商业化比较流行的是微悬臂探针(Cantilever-Tip)系统微悬臂通瑺由一个100~500μm长和大约500nm~5 μm厚的硅片或氮化硅片制成，在其前端有一个突出小探针当针尖与样品的距离到达某个值时，针尖与样品间的相互莋用力引起悬臂发生机械响应（Deflection）产生相应偏转。图二(c)为针尖不断靠近表面样品所产生的相互作用力一般情况下将微悬臂固定在悬臂託上(Cantilever Holders)，图三为Bruker公司常用的悬臂托