清華大學(xué)在石墨烯潤滑性能調(diào)控方面取得重要進(jìn)展

清華新聞網(wǎng)10月26日電 近期，清華大學(xué)機(jī)械工程系、摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室雒建斌、馬天寶課題組以及清華大學(xué)航天航空學(xué)院工程力學(xué)系、微納米力學(xué)中心李群仰課題組，聯(lián)合中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所信息功能材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室SOI材料與器件王曦、狄增峰課題組，在二維材料分子平面結(jié)構(gòu)調(diào)控及其在二維材料潤滑性能控制方面取得研究進(jìn)展。

研究人員們發(fā)現(xiàn)當(dāng)單晶鍺與生長其上的石墨烯以合適角度堆疊成一體時，石墨烯即使在經(jīng)歷外界劇烈的化學(xué)作用后仍然能保持較好的二維平整結(jié)構(gòu)進(jìn)而延續(xù)其優(yōu)異的摩擦潤滑特性，相關(guān)成果有助于推動二維材料在微納摩擦與潤滑領(lǐng)域的應(yīng)用，以“莫爾條紋穩(wěn)定石墨烯超低摩擦狀態(tài)”（Robust ultra-low friction state of graphene via moiré superlattice confinement）為題近期發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）。

圖. (a) 莫爾條紋區(qū)域與非莫爾條紋區(qū)域石墨烯氟化前后表面摩擦力的對比；(b) 莫爾條紋區(qū)域與非莫爾條紋區(qū)域石墨烯氟化后STM表面形貌；(c) 第一性原理計(jì)算表明莫爾條紋區(qū)域石墨烯與襯底之間存在電荷轉(zhuǎn)移聚集，具有錨定石墨烯效應(yīng)。

近年來人們發(fā)現(xiàn)二維材料由于其特殊的平面原子結(jié)構(gòu)而具有十分奇特而優(yōu)良的摩擦性能，有望作為一種超薄的潤滑材料在微納領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。然而，由于二維薄膜材料超乎尋常的比表面積，易于受工作環(huán)境，特別是表面化學(xué)作用影響而降低甚至喪失潤滑性能。因此，如何在復(fù)雜的滑動工況下從原子尺度上有效地保持單分子層二維材料的穩(wěn)定性給研究人員提出了一個全新的挑戰(zhàn)。清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及清華大學(xué)航天航空學(xué)院聯(lián)合中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所信息功能材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員觀察到鍺(111)晶面上生長的多晶石墨烯，由于上下晶體堆疊的方式不同，會同時產(chǎn)生具有周期性莫爾條紋的區(qū)域和非莫爾條紋的區(qū)域。經(jīng)過氟化、氧化等化學(xué)處理后，非莫爾條紋區(qū)域的潤滑性能極大削弱。然而，具有周期性莫爾條紋區(qū)域的石墨烯卻仍然保持良好的潤滑特性。通過第一性原理計(jì)算，科研人員發(fā)現(xiàn)，周期性莫爾條紋區(qū)域中石墨烯的碳原子與鍺原子之間的相互作用力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于普通的范德瓦爾斯力；這種強(qiáng)的錨定作用使得石墨烯能夠抵御外界擾動對其平整分子結(jié)構(gòu)形貌的改變，從而增強(qiáng)其潤滑的魯棒性。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)有望推廣到其它的二維材料體系，推動單分子層潤滑材料在微納系統(tǒng)中的應(yīng)用。

該論文通訊作者為清華大學(xué)航院李群仰副教授、機(jī)械系馬天寶副教授和中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所狄增峰研究員。該工作得到國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、重大科研儀器研制項(xiàng)目、優(yōu)秀青年基金、面上基金、科技部國家重大科學(xué)研究計(jì)劃（973）項(xiàng)目、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃項(xiàng)目、唐仲英基金、上海市學(xué)科帶頭人等相關(guān)研究計(jì)劃支持。第一性原理計(jì)算在清華大學(xué)高性能計(jì)算中心“探索100”平臺上完成。

文章鏈接：http://www.nature.com/articles/ncomms13204

供稿：機(jī)械系 編輯：李華山