非层状结构二维超薄纳米材料的摩擦行为研究

Owing to their unique physical, chemical and mechanical properties, two-dimensional (2D) materials have attracted much attention in scientific research; they are believed to have important potential applications in microelectronics, catalysis, sensing, energy conversion and storage as well as interface lubrication. In contrast to the extensive studies in layer structured 2D materials, our understanding about the properties of non-layer structured 2D materials are very limited despite their great abundance. In this work, we will systematically study the frictional behavior of a few typical non-layered 2D materials under various loading conditions in different environments. More specifically, combining atomic force microscopy and in-situ electron microscopy, we will develop an experimental platform to characterize the frictional behavior of non-layered 2D materials (including both metal and semi-conductor materials). Based on experimental observations, we will explore the physical mechanisms underlying friction of non-layer structured materials and discuss the regulating strategies using molecular dynamics and reduced model simulations. The findings are beneficial for designing the next-generation atomically-thin solid lubricants as well as novel micro- and nano-scale devices using non-layer structured 2D materials. Ultimately, the physical mechanisms revealed in the study may help better understand and expand our knowledge about the origins of friction on solid surfaces.

二维材料由于其独特的物理、化学和力学性能引起了人们广泛关注；它们在微电子、催化、传感、能源以及润滑等领域拥有重要的应用前景。尽管人们对以石墨烯为主的层状结构二维材料已有相当的了解，但对于存在更为广泛的非层状结构二维材料的性能研究却十分匮乏。本项目拟从微纳米尺度上系统地研究若干种典型非层状二维材料在不同环境和加载参数下的摩擦行为及其微观机制。具体来讲，本项目将发展基于原子力显微镜和电镜原位加载仪的微纳米摩擦表征平台，并对若干种典型非层状二维材料（如金属、非金属或有机物等）的摩擦行为进行系统的实验表征。在实验结果的基础上，本项目将结合分子动力学模拟和约化模型探究非层状二维材料摩擦行为的微观力学机制和相关调控策略。该研究将有助于发展以非层状二维材料为核心的新一代超薄固体润滑材料和新型微纳米功能器件，相关研究成果也有望进一步深化和拓展人们对固体摩擦本质的认识。

大量实验和理论研究表明，当材料的尺寸缩减到纳米尺度时，其物理和力学性能与块体相比往往存在显著的差异。特别地，人们发现对于厚度仅有若干原子层的层状结构二维材料，其摩擦学行为会出现许多奇特（甚至反常）的现象。二维材料的兴起和发展为新型固体润滑材料的设计提供了新的契机。尽管人们对层状结构二维材料的力学性能有了初步的了解，但是目前广泛采用的固体润滑剂以及微加工制造的主流基材很多都具有非层状结构，如何了解并掌握非层状二维材料的摩擦性能十分关键。本项目结合实验表征和理论分析对三类非层状二维材料的摩擦行为及其微观机制开展了系统的研究。.首先，我们发展了二维金属的热压制备方法，系统表征了二维金属纳米材料的表面摩擦行为，实验发现了二维金属表面的新型超润滑行为，结合分子动力学模拟揭示了该奇特的超润滑行为来源于二维金属表面原子增强热扩散作用；.其次，我们制备了二维硅基纳米材料，系统表征了二维硅基材料表面的摩擦行为，实验结果表明二维非晶硅基材料相比二维晶体硅基材料表面摩擦更低，颠覆了传统摩擦理论所认为的有序表面摩擦会更低的假设；同时，我们的实验还发现表面化学键合作用主导的摩擦老化现象会存在显著的尺寸效应，理论分析表明该现象与摩擦时界面的滑移/断裂模式相关；.最后，我们设计制备了酰胺类有机分子的自组装二维薄膜并系统研究了其结构及摩擦学性能，研究结果表明基底与分子作用力对自组装行为有显著的影响；通过控制基底的表面性能，我们成功实现了对自组装二维薄膜结构及摩擦性能的调控；同时，我们实验中还发现了二维有机分子薄膜材料的异常的可逆摩擦增高现象，通过分析我们提出了有机分子位阻犁沟效应对摩擦过程的影响机制。.本项目研究成果为发展以非层状二维材料为核心的新型超薄固体润滑材料和微纳米功能器件奠定了基础，同时也进一步深化了人们对固体材料摩擦本质的认识。