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Humidity Dependence of Tribochemical Wear of Monocrystalline Silicon

材料科学 单晶硅 湿度 工程物理 纳米技术 复合材料 光电子学 物理 热力学 工程类
作者
Xiaodong Wang,Seong H. Kim,Cheng Chen,Lei Chen,Hongtu He,Linmao Qian
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:7 (27): 14785-14792 被引量:81
标识
DOI:10.1021/acsami.5b03043
摘要

The nanowear tests of monocrystalline silicon against a SiO2 microsphere were performed using an atomic force microscope in air as a function of relative humidity (RH = 0%–90%) and in liquid water at a contact pressure of about 1.20 GPa. The experimental results indicated that RH played an important role in the nanowear of the Si/SiO2 interface. In dry air, a hillock-like wear scar with a height of ∼0.4 nm was formed on the silicon surface. However, with the increase of RH, the wear depth on the silicon surface first increased to a maximum value of ∼14 nm at 50% RH and then decreased below the detection limit at RH above 85% or in water. The transmission electron microscopy analysis showed that the serious wear on the silicon surface at low and medium RHs occurred without subsurface damage, indicating that the wear was due to tribochemical reactions between the Si substrate and the SiO2 counter surface, rather than mechanical damages. The RH dependence of the tribochemical wear could be explained with a model involving the formation of "Si—O—Si" chemical bonds (bridges) between two solid surfaces. The suppression of tribochemical wear at high RHs or in liquid water might be attributed to the fact that the thickness of the interfacial water layer is thick enough to prevent the solid surfaces from making chemical bridges. The results may help us understand the nanowear mechanism of silicon that is an important material for dynamic microelectromechanical systems.

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