蘭州化物所摩擦的電子起源研究取得新進展

  摩擦作為一種極為常見的表/界面物理現象,是表/界面相互作用的最直接反映。隨著表征技術的迅速發展,人類對摩擦本質的認識逐漸從基于阿蒙頓定律的宏觀經驗總結發展到對微觀原子尺度摩擦起源的探索。

  中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室低維潤滑材料課題組長期聚焦于機械摩擦與界面電子結構關系的研究。近期,該課題組與蘭州大學、西南交通大學等合作,在二維材料納米摩擦的電子起源方面取得了新進展。

  他們首次指出即使沒有原子失配,表/界面的相互作用也可以通過層間應變進行操縱,模擬結果清楚地說明了無失配表/界面間的耦合強度是由應變誘導的表/界面電子重新分布來調節的。其次,研究首次證明滑動勢壘的漲落與摩擦面/界面間電子密度的相對變化密切相關,電子重分布的量化直接證實了PES上的紋波與表/界面電子密度的相對值幾乎是線性相關的。這種通過對電子分布量化來揭示摩擦起源的方法促進了對低維材料納米摩擦的認識,為更好地在納米尺度上調控摩擦提供了全新的思路。

  研究人員以典型二維結構石墨烯(Gr/Gr)、六方氮化硼(h-BN/h-BN)和二硫化鉬(MoS2/MoS2)雙層模型為載體,利用第一性原理研究了無層間堆垛失配的狀態下二維結構層間相互作用隨雙軸應變的演化行為。結果表明:雙軸拉伸有益于雙層之間的垂直分離,而雙軸壓縮則有利于雙層之間水平滑動。層間電子重分布程度的定量分析證實了層間電荷密度及其相對值的變化與雙軸應變促進垂直分離和水平滑動密切相關:拉伸導致層間的電荷密度ρinter-降低,削弱了層間結合;而壓縮導致了層間電荷密度的相對值Δρinter-降低,削弱了層間剪切強度。

  此前,該課題組通過理論上定義二維材料的界面,在電子尺度上揭示了納米摩擦的電子起源(J. Phys. Chem. C 2019, 123, 26912-26920)。然而,摩擦是一個與表/界面相對運動中所需克服能壘密切相關的過程量,這一關鍵參數的本質屬性在電子尺度上并沒有被清晰地反映出來。

  以上工作到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金項目的支持。相關的成果發表在(The Journal of Physical Chemistry C 2019, 123, 26912-26920The Journal of Physical Chemistry Letters. 2020, 11, 5815-5822)。

雙軸應變下二維結構層間結合能和滑動勢能波動

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