《Nature Mater》：大晶格失配异质结构的超低摩擦和边钉扎效应

摩擦，每年在世界范围内造成大量的能量耗散和机械磨损(成本约为119EJ)。因此，理解摩擦过程的机理和寻找最佳的材料组合，理想地提供一个接近无摩擦的状态，是至关重要的。二维异质结构层间范德华相互作用弱和晶格失配自然，是实现扭角无关的超低摩擦的理想平台。然而，对于有限尺寸的界面，畴边对摩擦过程的影响尚不清楚。

在此，来自中科院物理研究所&东莞松山湖材料实验室的张光宇等研究者报道了MoS₂/石墨和MoS₂/六方氮化硼异质结构界面的超润滑现象和边钉扎效应。相关论文以题为“UItra-low friction and edge-pinning effect in large-lattice-mismatch van der Waals heterostructures”发表在Nature Materials上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-021-01058-4

超润滑的概念，是由Shinjo和Hirano在20世纪90年代提出的，它描述了两个接触面之间摩擦消失的现象(后来也被称为结构润滑)。在范德华(vdW)材料中，由于其晶体结构在较弱的vdW力作用下保持在一起，因此，具有超润滑性。然而，在二维(2D)同质结构中，超润滑性表现出强烈的扭角依赖性。当发生滑动时，层倾向于旋转和锁定在相应的状态，导致超润滑性消失。vdW异质结，可以减小两种接触材料之间的晶格失配引起的通约性问题。

在石墨烯/六方氮化硼(h-BN)异质结构中发现了微尺度超润滑性，显著降低了扭角依赖性。然而，在石墨烯/h-BN异质结构中仍然存在扭角依赖，这可能是由于小的晶格失配。因此，研究晶格失配对二维异质结构超润滑性的影响至关重要。此外，广泛的区域边缘和界面台阶，对有限尺寸二维界面的超润滑性的影响，可能会阻止超润滑性。

在此，研究者利用横向力原子力显微镜(AFM)表征了不同晶格失配(MoS₂/石墨、MoS₂/h-BN和石墨烯/h-BN)的二维异质结界面。结果表明：大晶格失配MoS₂/石墨和MoS₂/h-BN异质结界面的摩擦系数(COF)小于10⁻⁶，扭转角依赖性得到抑制。与此同时，研究者证明，这两个异质结的摩擦力是由钉住边缘或衬底台阶效应主导的，而不是由界面滑动阻力，例如，势能起皱。相比之下，石墨烯/h-BN滑动摩擦过程中界面滑动阻力占主导地位，晶格失配较小。经典分子动力学(MD)模拟表明，靠近薄片边缘的原子在滑动动力学中发挥了独特的作用，因为它们相对于薄片的其余部分呈现出增强的面外结构畸变。鉴于到MD模拟中力场的非反应性，研究者也间接证明了畴边缘的悬空键，主要对基底的攀爬过程中观察到的摩擦力有贡献。

图1 二维异质结构的摩擦特性。

图2 MoS₂/石墨和MoS₂/h-BN异质结构界面的超润滑性。

图3 三种不同异质结构界面的摩擦源。

图4 MoS₂薄片在石墨上滑动的MD模拟结果。

图5 界面台阶对摩擦力的影响。

在此，研究者证明了大晶格失配的MoS₂/石墨和MoS₂/h-BN异质结界面具有极低的摩擦系数，~10⁻⁶，没有任何扭角依赖性。实验和MD计算均表明，MoS₂/石墨和MoS₂/h-BN异质结中的钉住边和界面台阶，是摩擦过程的主导因素，而石墨烯/h-BN中的小晶格失配是界面摩擦的重要原因。该研究结果表明，接触面的晶格失配和界面台阶的缺失，是设计近无摩擦滑动副的关键因素。（文：水生）