1125 / 2023-03-11 11:08:06

摩擦界面的微观电传输机理和电接触材料设计

滑动电接触界面是指在机电系统中的运动部件和静止部件之间传输电流的界面，广泛存在于太阳帆板驱动机构、雷达转台等转动传输机构中。为了实现低摩擦磨损、低接触电阻的滑动电接触，本文分别从摩擦和电传输的角度研究了其中的基础科学问题：（1）在摩擦方面，研究了电流对摩擦的调控作用和机理；（2）在电传输方面，研究了范德华界面的电传输机理及接触电导调控手段。在理论研究的基础上，提出了基于二维材料异质界面的超滑电接触设计。本文的主要创新性成果如下：

首先，针对科学问题（1），本文中研究了外加电流下导电原子力显微镜（c-AFM）探针和石墨烯（生长于Ru(0001)上）界面的摩擦调控现象，并结合密度泛函理论和非平衡格林函数法的计算，揭示了电子重分布和电子转移在电控摩擦效应中的重要作用。在此基础上，通过研究大量摩擦系统在外加电场下的电子行为和摩擦特性，将该理论推广至包括二维材料在内的多种导体、半导体和绝缘体摩擦系统，提出了基于电子性质涨落（EPF）的摩擦模型，实现了外加电流下摩擦力的计算¹。

其次，针对科学问题（2），本文中通过原子分辨的c-AFM实验，发现了石墨烯/Ru界面的原子堆垛结构对接触电导的调控现象。结合第一性原理计算，发现石墨烯/Ru界面的局部接触电导主要由相应的电子传输路径上的原子-原子隧穿电导（即“接触质量”）决定。基于此概念，提出了原子接触质量（ACQ）模型，实现了根据载流子密度和原子接触状态计算接触电导²。该模型揭示了摩尔云纹、扭转角、原子重构和应力状态对范德华界面接触电导的调控作用^3-4。

最后，根据ACQ模型和EPF模型，本文在传统的Cu-MoS₂-MoS₂-Cu摩擦体系的基础上，通过引入MoS₂/Gr二维材料异质界面，实现了滑动能垒的降低；同时将接触金属更换为与MoS₂和Gr接触质量更高的Ti，并引入S原子空位，使界面的隧穿势垒和肖特基势垒显著降低，并提高了载流子密度。第一性原理输运计算表明，调控后的Ti-MoS_1.5-Gr-Ti摩擦体系相比于传统体系导电性提高了约78%，且滑动能垒降低了一个量级以上，从而在理论上预测了超滑电接触，为工程上实现低摩擦、低电阻的滑动电接触提供了思路⁵。



参考文献：

[1] Song A., Shi R., et al. “Fluctuation of interfacial electronic properties induces friction tuning under electric field.” Nano Letters 22.5 (2022): 1889-1896.

[2] Song A., Shi R., et al. “Modelling atomic-scale electrical contact quality across two-dimensional interfaces.” Nano Letters 19.6 (2019): 3654-3662.

[3] Zhang S.+, Xu Q.+, Hou Y.+, Song A.+, (共同第一作者) et. al. “Domino-like stacking order switching in twisted monolayer–multilayer graphene”. Nature Materials (2022) : https://www.nature.com/articles/s41563-022-01232-2

[4] Zhang S.+, Song A.+, Chen L.+, (共同第一作者) et. al. “Abnormal conductivity in low-angle twisted bilayer graphene”. Science Advances 6.47 (2020): eabc5555.

[5] Song A., Gao L., et al., “Achieving a superlubricating ohmic sliding electrical contact via a 2D heterointerface: a computational investigation.” Nanoscale 12 (2020): 7857-7863.