低能电子辐照诱导碳导电路径自重构实现载流低摩擦的突破性研究

滑动电接触(SECs)材料需兼顾导电性与摩擦性能，但传统碳材料存在性能权衡难题。深圳大学团队创新性采用低能电子辐照(e-irradiation)处理a-C:H薄膜，诱导表面形成石墨烯纳米晶和sp2导电路径，使电阻降低8个数量级，同时提升载流条件下的耐磨与低摩擦特性。该研究为碳基滑动电接触材料优化提供了新策略。

　　

随着高铁、风电和微电子设备的快速发展，滑动电接触(SECs)材料面临前所未有的性能挑战。这类材料需要在持续滑动中保持稳定的电能传输，同时具备低摩擦、高耐磨特性以避免频繁维护。传统碳材料如石墨导电性好但机械强度不足，碳/碳(C/C)复合材料强度优异却导电性差，而高温石墨化处理又会损害力学性能。这种"导电-摩擦"性能的不可兼得，成为制约高端装备可靠性的关键瓶颈。

深圳大学的研究团队另辟蹊径，将目光投向低能电子辐照技术。该技术利用低于1 keV的电子束轰击材料，能诱导碳网络发生独特的结构重组。研究人员选择具有优异机械性能和超低摩擦特性的非晶氢化碳(a-C:H)薄膜作为研究对象，通过精确控制的电子辐照处理，成功实现了材料导电性与摩擦性能的协同提升。相关成果发表在《Applied Surface Science》上，为碳基SECs材料开发提供了新范式。

研究采用双球差校正透射电镜(TEM)分析薄膜厚度，通过拉曼光谱(Raman)和电子能量损失谱(EELS)表征结构演变，结合原子力显微镜(AFM)和摩擦磨损试验机评估性能。关键实验技术包括：200 eV低能电子辐照处理、原位电阻测试、载流摩擦学性能评价，以及高分辨TEM观察石墨烯纳米晶形成过程。

Raman和AFM表征结果
辐照后的a-C:H薄膜拉曼光谱出现明显分化，在100 eV以上能量辐照时，1500 cm^-1处的宽峰分离为典型的D峰(缺陷相关)和G峰(sp²杂化振动)，表明非晶结构中形成了有序纳米晶区。AFM显示表面粗糙度从0.32 nm降至0.21 nm，这种平滑化有利于降低摩擦。

导电性能突破
经200 eV辐照5分钟后，薄膜厚度方向电阻从10⁸ Ω骤降至10 Ω量级，降幅达8个数量级。EELS分析证实整个薄膜内部形成了连续的sp²导电网络，而非传统高温处理导致的整体石墨化。

摩擦学性能提升
在1 A载流条件下，辐照后薄膜的摩擦系数从0.18降至0.12，磨损率降低一个数量级。特别值得注意的是，导电路径的自重构显著抑制了电弧侵蚀，这是载流摩擦性能改善的关键因素。

TEM结构解析
高分辨TEM揭示了表面约5 nm范围内形成的石墨烯纳米晶，这些纳米晶尺寸2-5 nm，通过sp²键合区域相互连接，构成"岛状"导电网络。这种独特的梯度结构既保持了非晶基体的高强度，又提供了高效的电子传输通道。

该研究通过低能电子辐照实现了碳材料的精准结构调控，突破了导电与摩擦性能的权衡限制。其核心创新在于：1) 选择性形成局部有序结构而非整体石墨化；2) 建立贯穿薄膜的sp²导电路径；3) 表面纳米晶/非晶复合结构协同优化摩擦与导电性能。这种"自下而上"的结构重构策略，为开发新一代高性能SECs材料提供了普适性方法，在智能装备、微型机电系统(MEMS)等领域具有广阔应用前景。研究还启示，低能粒子辐照可能成为调控碳材料多功能特性的通用技术平台，未来或可拓展至传感器、柔性电子等更多应用场景。