北京航空航天大學與中國海洋大學Materials Today Physics：石墨烯納米片在石墨烯上滑動的邊緣釘扎效應

研究背景

在機械系統和系統工程方面，我們都知道摩擦力是一個普遍存在的問題。在日常生活中，我們需要使用潤滑劑來減少摩擦力，但是在一些高端應用領域，如航空航天、半導體等，需要實現超低摩擦，以提高性能和延長壽命。然而，邊緣效應是阻止實現超級潤滑的有害因素之一。如何消除邊緣效應，實現超級潤滑一直是研究領域的一個難題。

近日，北京航空航天大學儀器科學單光存教授團隊與中國海洋大學豆副教授團隊在Materials TodayPhysics期刊上合作發表了題為“Edge-pinning effect of graphene nanoflakes sliding atop graphene”的研究論文。

研究內容

本研究論文通過廣泛的從頭計算，在原子水平層面上，考慮了兩個對比模型，即具有二聚化和原始邊緣的石墨烯納米片在石墨烯單層上的滑動（如下圖1）。研究發現，對于未對齊的接觸，二聚化的邊緣固定效應是顯而易見的。這種情況提供了沿邊緣的局部共軛，類似于奧布里固定相。與共軛接觸下雙層石墨烯中的一個原子相比，每個二聚化邊緣碳原子對滑動潛能能量起伏的貢獻甚至更高，高達1.5倍（如圖2）。因此，在滑動過程中動態和隨機的邊緣二聚化將顯著影響摩擦學性質，并可能是解釋實際摩擦參數差異的重要來源。另一方面，我們發現邊緣對摩擦的貢獻與晶格方向有關，在對齊接觸中被抑制。這解釋了實驗結果發現，摩擦力主要由內部原子而不是邊緣固定所主導。為了消除不良的邊緣效應，我們采用應變工程和邊緣氟化來構建摩擦學系統。然而，二聚化的邊緣作為高摩擦固定位點，對這兩種方法都非常穩健。

圖1：滑動模擬的代表性原子模型。在納米湖頂部與(a)二聚體和(b)在石墨烯襯底上的原始邊緣的錯位接觸。在石墨烯襯底上與(c)二聚體和(d)原始邊緣進行對齊接觸。邊緣的碳原子用紅色突出顯示。黑色箭頭表示納米湖的滑動方向。

Fig. Representative atomic models for sliding simulation. Misaligned contacts for atop nanoflake with (a) dimerized and (b) pristine edges over graphene substrate. Aligned contacts for atop nanoflake with (c) dimerized and (d) pristine edges over graphene substrate. The edge carbon atoms are highlighted by red color. The black arrows indicate the sliding direction of the nanoflake.

圖2: 邊緣釘扎效應對應變工程的穩健性。(a)在具有二聚邊緣的納米湖上，沿x軸的單軸拉伸應變。(b)原子模型和在10 %拉伸應變下滑動屏障最大值的二聚邊緣局部相稱區域的(c)示意圖。薄片的邊緣和內部的碳原子分別用紅色和藍色表示。灰色的線和球代表襯底中的碳原子。

Figure. Robustness of edge pinning effect against strain engineering. (a) Sliding barrier versus uniaxial tensile strain along x axis in misaligned contact for atop nanoflake with dimerized edges. (b) atomic models and (c) schematic view of locally commensurate regions by dimerized edges for sliding barrier maximum at 10 % tensile strain. The edge and inner carbon atoms of the flake are colored by red and blue, respectively. The gray lines and balls represent the substrate carbon atoms.

研究意義

本研究的創新點在于，通過第一性原理從頭計算，提供了微觀層面上的原子信息，解決了超級潤滑中的一個關鍵問題，即如何消除邊緣效應。這項研究對于理性設計超低摩擦的范式具有重要意義，有望為提高超級潤滑系統的性能和使用壽命提供指導。

全文鏈接地址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542529323003024