张广宇:最新Nature Materials

张广宇:最新Nature Materials

第一作者:Mengzhou Liao
通讯作者:张广宇
通讯单位:Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics and Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences
DOI:10.1038/s41563-021-01058-4

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背景介绍

摩擦每年在世界范围内造成大量的能量耗散和机械磨损(成本约为119 EJ)。因此,理解摩擦过程的机理,寻找最佳的材料组合,提供一个接近无摩擦的物理状态具有极强的现实意义。在20世纪90年代,Shinjo和Hirano提出了超润滑的概念,描述了两个接触面之间摩擦力消失的现象(后来也被称为结构润滑)。在范德华(vdW)材料中,由于其晶体结构在较弱的vdW力的作用下保持在一起,因而具有超润滑性。然而,在二维(2D)同质结构中,超润滑性表现出强烈的扭角依赖性。当发生滑动时,层与层之间倾向于旋转,并锁定一个较为稳定的状态,导致超润滑性消失。由于层间晶格失配的引入,vdW异质结有望解决该问题:在石墨烯/六方氮化硼(h-BN)异质结构中已经证明了微尺度的超润滑性,并存在显著降低的扭角依赖性。然而该结构中的扭角依赖性并没有消失,因此,研究晶格失配对二维异质结构超润滑性的影响至关重要。

有鉴于此,来自中科院物理所/北京凝聚态物理国家研究中心的张广宇团队研究了多种异质结界面的摩擦状态,并报告了MoS2/石墨和MoS2/h-BN范德华异质结界面的超润滑现象和边缘钉扎效应。通过原子力显微实验,研究团队证明了低至10-6的摩擦系数,并通过分子动力学模拟进行了验证,理论计算结果强调了边缘和台阶对摩擦力的贡献。该项研究证明:若要实现较低的界面摩擦,接触面之间较大的晶格失配与台阶的抑制比必不可少。文章对低维结构之间的滑动机制进行了探索,将有助于阐述层状固体润滑剂的摩擦过程。

02

图文解析

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图1. 二维异质结摩擦力的表征。

a-c d-f分别为异质结的3D原子结构图与原子力显微镜成像图。

g图为院子里探针测量水平力的图示;根据实验状态的不同摩擦力的测试可分为两种模式,分别为图h中的探针在样品边缘的推动模式与图i中探针在纳米片中心的拖拽模式。

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图2. MoS2/石墨异质结与MoS2/h-BN异质结界面的超润滑性,蓝色虚线表示超润滑性的极限。

在N2氛围下,两类异质结具有接近的摩擦力(Fr=Fr0+μLtip,Ltip为针尖所加负载力,Fr0起源于边缘钉扎特性),摩擦系数μ(COF)远小于超润滑性的极限10-3(对于MoS2/h-BN,该值约为2.29×10-6)。

图c为归一化摩擦力受扭转角的影响,F0°和Ftwisted是MoS2畴在扭曲前后的摩擦力。

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图3. 三种不同异质结构界面摩擦力的起源。

图a,b为MoS2/石墨的摩擦特性,a为剪切强度随总筹区面积的变化,b为平均边缘钉扎强度(nN/μm)随总周长的变化。AC240 1-3标记来自三个不同AC240尖的数据。

图c,d为MoS2/h-BN的摩擦特性。MoS2/hBN系统的边缘钉扎强度表现出常数特性,约为1.94 nN/μm,非常接近MoS2/石墨系统的强度。这主要由于实验中采用的MoS2都具有相同的zigzag截止边。

图e,f为石墨烯/h-BN的摩擦特性。与前两种异质结不同的是,在该系统中剪切强度随总筹区面积基本不变,表明该系统中面内摩擦起主导作用(起源于晶格失配)。

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图4. MoS2薄片在石墨上滑动的分子动力学模拟结果。

图c为计算得到剪切方向摩擦力强度随二硫化钼薄片面积而变的函数。插图为计算得到纳米片边缘钉扎强度随周长变化的函数。

图d为根据典型MoS2尺寸(~16 nm)计算得到的MoS2薄片中不同原子层的r.m.s.d.(均方根粗糙度)。

图e为纳米片底部S原子三个笛卡尔分量的r.m.s.d.图。可见r.m.s.d.主要集中在边缘位置,z轴方向,验证了实验中观察到的边缘钉扎现象。

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图5. 界面台阶对摩擦力的影响。

a,推动MoS2畴跨越单层石墨台阶时横向力的变化。I、II、III、IV表示尖端运动的不同阶段:I、探针针尖在石墨上运动;II、探针针尖推动MoS2畴移动;III、MoS2畴在石墨台阶上移动;IV、MoS2畴在台阶上锁定,探针针尖跳到MoS2表面。

b,分子动力学计算的设置。虚线标志了石墨台阶位置,橙色箭头垂直于滑动方向。

c,当MoS2薄片方向与石墨台阶分别呈16°(上)、6°(中)、0°(下)时,分子动力学仿真的到的的平均摩擦力。16°(上)情况下,仿真结果与实验一直,以II和III标记。

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