基底影响二维材料表面摩擦行为的机制研究

Control of friction at micro- and nano-scales is crucial and desirable for the developments of micro- and nano-electromechanical systems (MEMS/NEMS). The two dimensional (2D) materials, particular graphene, usually containing several layers with weak layer-to-layer coupling and owning the lubricity comparable to bulk lubricants, are the promising materials to be applied in MEMS/NEMS. However, the frictional properties are susceptible to the substrates beneath the 2D materials, which will influence the energy dissipation mechanism in the systems. Thus the mechanisms that the substrates affect the frictional behaviors of 2D materials should be investigated in depth. In this project, the first-principles calculations together with Prandtl-Tomlinson (PT) model calculations and atomic force microscope (AFM) experiments will be carried out to study the frictional behaviors of 2D material, revealing the origin of the friction on the 2D materials in electronic scale. Through the investigations of moiré superstructures formed between 2D materials and relevant substrates, try to explore the mechanisms of controlling the frictional properties of 2D materials at micro- and nano-scales and preserving the superior performance of 2D materials under chemical modification environment. The implementation of this project will reveal the mechanisms that the substrates influence the frictional behaviors of 2D materials, and provide with theoretical and technical guidance for the application of 2D materials as lubricating materials in MEMS/NEMS.

在微纳尺度控制摩擦对于微纳机电系统的发展具有重要意义。以石墨烯为代表的二维材料通常包含若干原子层，而且具有与宏观固体润滑材料相媲美的优异润滑性能，有望成为微纳机电系统中的润滑材料。二维材料的摩擦性能通常会受到基底的作用，进而影响系统中的能量耗散机制，因此需要对基底影响二维材料表面摩擦行为的机制进行研究。本项目采用第一性原理计算为主结合Prandtl-Tomlinson(PT)模型计算和原子力显微镜实验的方法对基底上二维材料表面的摩擦行为进行研究，从电子尺度揭示二维材料表面摩擦的起源和本质；通过对二维材料和基底之间形成的moiré纹结构的研究，探索微纳尺度下调控二维材料表面摩擦特性的机制和化学改性条件下保持二维材料优异摩擦性能的机制。该项目的实施能够揭示基底影响二维材料表面摩擦行为的机制，为微纳尺度下二维材料作为润滑材料的应用提供理论和技术指导。

揭示基底影响二维材料表面摩擦行为的机制，可以为微纳尺度下二维材料作为润滑材料的应用提供指导。第一性原理计算表明石墨烯表面的化学活性和形貌起伏与基底和石墨烯界面间的相互作用紧密相关。与石墨烯具有较强的共价键相互作用的Ni(111)和Re(0001)基底可以显著增强石墨烯的化学活性。石墨烯在基底上的几何形貌起伏决定了moiré纹级长程侧向力调制的特性。原子力显微镜针尖在过渡金属上石墨烯表面滑动时的moiré纹级摩擦侧向力长程调制是基底与石墨烯和针尖与石墨烯共同作用的结果。氟化会增加石墨烯的形貌起伏，而石墨烯与基底之间较强的相互作用可以限制氟化导致的石墨烯形貌起伏。计算表明形貌起伏对石墨烯氟化后的滑动能垒起主要贡献，即针尖翻越形貌起伏时克服载荷所做的功对石墨烯表面摩擦的增加起着至关重要的作用。增加石墨烯层数是减小石墨烯在Re(0001)基底上的形貌起伏、表面化学活性和表面力(粘附和摩擦)的一种可行的途径。此外，在公度的Ni(111)基底上，h-BN可以在化学改性条件下保持优异的摩擦特性，这是因为B原子的选择性氟化可以有效地限制氟化后h-BN的形貌起伏。分子动力学模拟表明Cu基复合材料中由石墨烯纳米片形成的范德华界面可以显著地降低滑动摩擦。理论计算发现扭转双层石墨烯层间的电导率由界面间的局部载流子密度和隧穿势垒决定，并揭示小扭转角双层石墨烯的异常电导是由于局部原子重构导致的载流子密度异常降低。构建石墨烯/MoS2异质结，并引入空位缺陷，可以在实现界面超滑的同时显著地抑制肖特基势垒和隧穿势垒。原子模拟揭示了远程外延生长中的薄膜与基底间较弱的界面间相互作用和薄膜中低密度位错的机制，并验证了基底上覆盖石墨烯后生长的VO2薄膜具有更小的应变。最后，计算表明某些材料体系界面间的范德华作用可以足够强，进而影响材料的性能。该项目的开展对于调控二维材料的摩擦特性和在化学改性条件下保持二维材料优异的摩擦特性具有重要理论和应用指导意义。