发现一类理想的超滑体系:大晶格失配范德华异质界面

2021-08-12
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当前,因摩擦和磨损导致的能源损耗约占人类能源总消耗的三分之一。实现极低摩擦不仅可以降低能源消耗同时可以延长机械寿命。超滑(superlubliricty)定义为两个固体表面接触时摩擦力接近于零(摩擦系数小于10-3)的状态,自上世纪九十年代被发现以来一直是摩擦学的一个前沿研究方向。结构超滑(structural superlubliricty)是实现超滑的重要手段,简单来说,如果不考虑两个晶体接触原子间的成化学键,结构超滑要从非公度的界面中寻找。

值得注意的是,自然界中存在的层状材料如石墨、二硫化钼、六方氮化硼等由于层间弱范德华力,作为天然的固态润滑剂已经被使用超过一百年。从原理上来看,非公度的范德华界面是研究结构超滑的理想体系。如何构造这样一个界面成为近年来超滑研究领域内一个引人瞩目的问题。2004年,荷兰莱顿大学Joost W. M. Frenken团队率先在具有一定转角的两层石墨间测量到极低摩擦力(Phys Rev Lett 2004, 92, 126101),展示了结构超滑的一个经典案例。2008年,清华大学郑泉水院士团队在类似界面中发现由极低摩擦力导致的自收缩效应(Phys Rev Lett 2008, 100, 067205)。在这种同质范德华界面中,零转角接触下是公度,导致摩擦力最大;小转角接触会产生莫尔图案,莫尔周期内的局域晶格也存在公度情况,导致摩擦力较大;大转角接触近似是非公度,导致摩擦力极小。

为了摆脱范德华界面中摩擦的转角依赖性,一个可能的解决方案是构造范德华异质界面。2016年,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心张广宇团队研究了石墨烯-六方氮化硼界面的热稳定性,发现热致旋转现象(Phys Rev Lett 2016, 116, 126101),揭示这种范德华异质界面可能存在结构超滑。2018年,清华大学郑泉水院士团队测量了其界面摩擦力,验证了结构超滑现象;同时发现,在异质结中所观察到的摩擦各向异性要比在其均质部分测到的数据大大降低(Nature Materials 2018, 17, 894)。然而,由于石墨烯和六方氮化硼的晶格失配较小(~1.7%),这种范德华异质界面在小转角下仍然存在由于莫尔超晶格导致的钉扎效应。揭示稳定的、不同转角下各向同性的结构超滑依然是一个挑战。

近期,松山湖材料实验室、中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心张广宇团队与捷克理工大学Tomas Polcar团队合作,针对大晶格失配范德华异质界面的超滑现象进行系统地研究。张广宇指导的博士生廖梦舟利用环境控制下的原子力显微镜技术研究了外延生长的二硫化钼-石墨(晶格失配~26.8%)以及二硫化钼-六方氮化硼(晶格失配~24.6%)异质界面的本征摩擦特性,发现这两种大晶格失配范德华异质界面是理想的超滑系统,不仅摩擦系数可以低于10-6(和测量极限处于同一水平),且不依赖于层间的相互转角(即各向同性)。进一步研究了不同尺寸样品揭示了摩擦力的来源,发现在这种大晶格失配范德华异质界面中面内接近零摩擦,而边界的钉扎效应是整体摩擦力的主要来源。作为对比样品,在小晶格失配范德华异质界面(石墨烯-六方氮化硼)中,面内界面摩擦仍占主导地位。为解释边界钉扎效应机理,Tomas Polcar团队的Paolo Nicolini博士对此进行了分子动力学模拟。模拟结果表明,由于晶格周期性在边界被破坏,导致边界原子束缚减弱。因此,相较于中心原子,边界原子更加活跃。同时计算结果也显示边界原子势能面较中心原子显著升高。分子动力学模拟结果清晰的显示出了边界原子和中心原子的不同状态,更不稳定的边界原子更容易在滑移中耗散能量。

图1 范德华界面摩擦力的测量方法

图2 大失配范德华界面中的超滑现象

图3  摩擦力的来源探究

图4   MoS2/graphite界面的分子动力学模拟

 

图5   界面台阶对摩擦力的影响

 

该工作在实验上探究了一类大晶格失配范德华异质界面中的各向同性超滑现象,为设计和应用超滑界面提供了新思路。工作同时表明,在界面超滑体系中要尽量避免晶格边界、界面台阶及位错等结构缺陷,从而降低其对结构超滑的负作用。相关研究结果发表在Nature Materials 2021, https://doi.org/10.1038/s41563-021-01058-4上,工作得到了国家自然科学基金重点项目、中科院B类先导专项、松山湖材料实验室等的经费支持。

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撰稿:中科院物理所