近日，清華大學航天航空學院李群仰、馮西橋教授課題組報道了二維范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)表面獨特的雙尺度粘-滑摩擦行為，借助改進的理論模型，首次闡明了異質(zhì)界面變形對表面摩擦行為的影響，揭示了二維范德華層狀材料內(nèi)部堆垛狀態(tài)對表面摩擦行為的調(diào)控機制，為理解微觀摩擦耗散機制、發(fā)展摩擦的主動調(diào)控策略提供了指導和參考。

相關(guān)研究在線發(fā)表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）期刊，論文題為「石墨烯/六方氮化硼摩爾超晶格表面的雙尺度粘-滑摩擦行為」（Dual-Scale Stick-Slip Friction on Graphene/h-BN Moiré Superlattice Structure）。清華大學航院李群仰教授和中國科學院上海微系統(tǒng)所王浩敏研究員為本文的通訊作者，參與該工作的還有清華大學航院馮西橋教授和機械系馬天寶副教授。清華大學航院博士后張帥為論文第一作者，航院姚泉舟博士參與了此項研究。

作為一種典型的摩擦行為，「粘滯-滑動」（簡稱「粘-滑」）現(xiàn)象廣泛存在于各個尺度的接觸滑動界面。特別地，原子尺度的「粘-滑」摩擦行為，由于其與摩擦耗散機制和摩擦的本源密切相關(guān)，受到了大量關(guān)注。

早在1987年，來自IBM研究中心的梅特（Mate）等人使用鎢探針在石墨表面滑動時，首次發(fā)現(xiàn)了周期與石墨晶格常數(shù)一致的原子尺度「粘-滑」摩擦現(xiàn)象。

這種原子尺度「粘-滑」摩擦行為可以通過經(jīng)典的Prandtl-Tomlinson（P-T）模型進行解釋：即考慮一根線性彈簧拖拽一個質(zhì)點小球在固定的周期性勢壘上運動，當彈簧剛度系數(shù)和能壘起伏滿足一定條件時，由于系統(tǒng)的失穩(wěn)，小球會發(fā)生緩慢移動（即「粘滯」狀態(tài)）與快速跳躍（即「滑動」狀態(tài)）相互交替的運動行為。

根據(jù)P-T模型的理論預測以及現(xiàn)有的實驗觀測，原子尺度「粘-滑」的跳躍周期大都與材料表面晶格常數(shù)相一致。

該研究工作中，研究團隊借助摩擦力顯微鏡，對石墨烯/六方氮化硼范德華異質(zhì)結(jié)表面的摩擦行為進行了測試。由于石墨烯和六方氮化硼存在微小的晶格失配，兩種材料的堆垛界面會存在摩爾超晶格結(jié)構(gòu)，如圖1所示。摩擦表征的結(jié)果表明，除了傳統(tǒng)的原子尺度「粘-滑」摩擦行為，在摩爾超晶格尺度同樣存在清晰的「粘-滑」行為，如圖1所示。而且，當研究團隊依次對不同尺度的「粘-滑」行為進行激活時，系統(tǒng)的摩擦耗散會出現(xiàn)獨特的滑動距離依賴性。這種雙尺度的「粘-滑」摩擦行為尚無法用目前已知的摩擦理論進行解釋。

圖1.（a）石墨烯/h-BN異質(zhì)結(jié)表面摩擦行為表征示意圖及高分辨掃描隧道顯微鏡（STM）表征結(jié)果；（b）摩爾超晶格尺度的粘-滑摩擦行為；（c）原子尺度的粘-滑摩擦行為

為了理解這種獨特的雙周期「粘-滑」摩擦行為背后的物理機制，研究團隊發(fā)展了一個考慮石墨烯變形能和層間堆垛狀態(tài)的改進P-T模型，如圖2所示。借助該理論模型和數(shù)值計算，進一步揭示了實驗中觀察到的雙尺度「粘-滑」摩擦行為可能源于探針壓力作用下局部堆垛轉(zhuǎn)變誘導的異質(zhì)界面變形。傳統(tǒng)P-T模型中，探針失穩(wěn)跳躍是原子尺度「粘-滑」摩擦現(xiàn)象發(fā)生的核心機制，但該研究表明，對于層狀范德華材料，探針壓力作用下二維材料原子層內(nèi)部應變的積累和釋放也會導致獨特的摩爾超晶格尺度的「粘-滑」摩擦行為，如圖2所示。該發(fā)現(xiàn)進一步拓展了人們當前對于粘-滑摩擦背后力學機制的認知，也為調(diào)控范德華層狀材料表面的摩擦行為提供了一種新策略。

圖2.（a）改進的P-T模型示意圖；（b）數(shù)值計算獲得的摩爾超晶格尺度的粘-滑摩擦曲線；（c）與粘-滑摩擦曲線對應的石墨烯變形量的變化；（d）兩個典型時刻的異質(zhì)界面變形示意圖

上述研究工作得到了國家自然科學基金項目、清華大學摩擦學國家重點實驗室自由探索項目、博士后創(chuàng)新人才支持計劃及清華大學「水木學者」計劃的資助。

論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.226101

–清華大學新聞網(wǎng)