2018年4月杂志俱乐部:原子薄片的摩擦

摩擦的原子薄片

Qunyang李

清华大学工程力学系

介绍

二维(2D)材料是仅由一层或几层原子组成的材料。由于其独特的拓扑结构，二维材料通常具有奇异的物理性质，这带来了一系列革命性的应用，从新型电子器件，传感器到原子薄润滑剂[1-4]。由于二维材料是超薄的，具有最高的表面体积比，它们的性能很容易受到周围环境的影响。这些原子薄薄片如何通过接触界面与邻近材料相互作用，以及它们与三维(3D)对应材料(图1)相比的表现如何不同，已经成为力学家、材料科学家和摩擦学家的一个有趣课题。

图1所示。在支撑在衬底上的二维材料片上滑动的尖端

在过去的十年中，二维材料的力学性能得到了广泛的探索，并取得了重大进展[5-7]。例如，你可以在《极限力学快报》上找到一篇非常好的评论文章，这篇文章是由iMechanica[7]的几个活跃成员贡献的。万博manbetx平台在我们的jclub论坛中，一些与附着力相关的话题(http://万博manbetx平台m.limpotrade.com/node/14276)、强度及变形机制(http://万博manbetx平台m.limpotrade.com/node/17999)、屈曲(http://万博manbetx平台m.limpotrade.com/node/20857)及整体机械性能(http://万博manbetx平台m.limpotrade.com/node/19915)已经被教授讨论过了。黄锐，张淑林，倪勇，朴浩德。在这个杂志俱乐部里，我想加入这些精彩的讨论，分享一些关于二维材料摩擦行为的最新进展。特别是，我将重点关注与二维材料的表面摩擦(不是层间滑动)相关的几个方面，并试图说明二维材料如何为探索摩擦机制提供独特的游乐场。

厚度依赖:起皱效应

与3D材料相比，2D材料上的摩擦表现出不同寻常的依赖于样品厚度:原子层较少的较薄样品通常比较厚的样品具有更高的表面摩擦。这种行为首先被观察到外延石墨烯[8]，后来被证实是2D材料的普遍特征，这些材料与衬底[9]的粘附较弱(图2a)。这种独特的摩擦特性的起源被发现是纯粹的机械性质。在摩擦测量中，当松散粘附在基片上的二维材料被尖端滑动时，由于尖端与样品的强附着力，这些原子薄的薄片可能会卷起并卡在尖端上。在这种情况下，试样越厚，弯曲刚度越高，起皱效果越弱，接触面积越小，摩擦越小(图2b)。

图2。(a)四层结构二维材料[9]的摩擦随试样厚度的变化。(b) MD模拟证实的起皱效应[9,10]。

在不同的实验条件下(如环境空气、干氮、真空)，广泛观察到各种二维材料的厚度相关摩擦[11,12]。分子动力学(MD)模拟证实了起皱行为[10,13,14]，它也被认为是解释在起皱的石墨烯[15]上观察到的新型摩擦各向异性的基本机制(图3)。关于起皱效应及其含义的更多讨论可以在综述文章[16-20]中找到。

图3。在起皱石墨烯表面观察到摩擦各向异性，并用起皱效应[15]解释其机理。

滑动时不断变化:可调接触质量

除了厚度依赖性外，二维材料上的摩擦也表现出明显的瞬态强化行为，在初始滑动期间摩擦显著增加，然后趋于平稳。这种瞬态行为在较薄的样品中更为明显，而在较厚的样品中则减弱。通过MD模拟，Li等人能够再现这种强化效应，并通过检查界面力的详细演变揭示了一种新的机制。从本质上讲，他们发现二维材料上的摩擦是由两个关键机制控制的:界面原子的局部钉住，以及尖端-样品接触界面的全局可通约性(换句话说，界面钉住力协同作用的程度)。这两种机制都对二维材料的面内松弛非常敏感，并且它们可以在滑动过程中进化(图4)。

图4。(a)尖端在粘附在天然粗糙硅衬底上的石墨烯上滑动的MD模型。(b)石墨烯的皱化结构。(c)不同厚度石墨烯的摩擦力。(d)针尖在单层石墨烯上滑动时不同阶段的界面力分布。[21]

长期以来，人们在大量实验和理论支持下推测，两个接触体之间的“真正接触面积”——接触中的原子“数量”——控制着摩擦[22-26]。然而，二维材料的摩擦变化表明，不仅真正接触面积的数量，而且“质量”(例如局部钉住状态和整体可通约性等特征)也控制着摩擦。当我们考虑构型柔性界面的摩擦行为时，这一点尤为重要。由于薄片的柔韧性可以通过调整其张力来控制，因此该新机制也提出了一种通过应变工程来控制二维材料摩擦的方法。

异常负载依赖性:摩擦力作为一种构形力

从达芬奇早期的摩擦研究到最近的纳米尺度实验，摩擦几乎总是随着法向载荷的增加而增加。然而，在化学修饰的石墨表面上，石墨烯的顶部原子层变得非常粘，当法向载荷减少时，摩擦力会异常增加，对应于有效的负摩擦系数[27](图5a)。

图5。(a)在化学改性石墨[27]上观察到的异常摩擦行为。(b)界面能和体应变能都对横向滑动的能量波纹有贡献。(c) MD模拟预测，体应变能可能主导能量波纹，导致异常摩擦行为[28]。

这种特殊的响应可以通过将摩擦视为尖端石墨滑动系统的构型力来理解。考虑外载荷作用下尖端接触并压缩基材表面，系统的自由能包括与材料变形相关的应变能、界面粘附能和外载荷势能。当尖端滑动时，系统的自由能随尖端位置的变化而变化。这种自由能的横向变化在摩擦学中被称为能量波纹，从能量的角度来看，这是摩擦的原因。
为了使尖端滑动，需要侧向驱动力来克服界面能垒，并推动变形的接触结构向前移动[28](图5b)。在典型情况下，当法向载荷减小时，界面能垒和体变形能都减小，导致能量波纹变弱，从而减小摩擦。然而，在化学修饰的石墨表面上，顶部的石墨烯层具有足够的粘性，因此在与尖端接触时，它会从衬底局部分层。在这种情况下，当尖端滑动时，除了界面滑动阻力外，还需要侧向力来推动接触结构(包含甜甜圈形状的内部裂纹)向前。这种独特的变形结构导致能量波纹和摩擦的异常增加，当尖端从基材撤回。在多层石墨烯系统中也观察到类似的异常行为，其中界面滑移和下面的变形之间的竞争变得至关重要。从这个意义上说，摩擦不仅仅是我们之前认为的一种界面现象:物体内部的变形也很重要。

异质结构上的摩擦:衬底约束的影响

如前所述，二维材料是原子薄的，其性能容易受到邻近材料的影响。利用这一特性的一种合理方法是将二维材料堆叠在一起或在其他晶体表面上形成异质结构[30]。在这种复合体系中，如果上下堆叠材料的晶格参数或晶体取向不同，往往会产生莫尔瓦超晶格结构[31,32]。最近的实验和第一性原理计算表明，这些莫尔维尔超晶格结构不仅“视觉上”存在，而且会引起表面屈曲和局部应变。这些起伏表面上的摩擦通常是复杂的，并且经常伴随着与超晶格结构相一致的显著的周期性调制[33-35](图6)。最近，我们通过实验观察到摩擦与滑动速度的幂律依赖关系，这与传统的块状材料上的摩擦行为完全不同。尽管摩擦调制可以部分归因于超晶格结构的高度变化[34,35]，但这种不寻常的速度依赖性的机制仍不清楚。为了充分了解周期约束二维材料的摩擦过程和能量耗散机制，需要进行系统的研究。

图6。(a)显示莫尔维尔超晶格结构形成的示意图。(b)第一性原理计算表明，跨异质界面的强相互作用导致了二维材料[33]的膨胀。(c)， (d)， (e) moir超晶格结构的摩擦调制[33,34]。

结束语

尽管摩擦是一个历史悠久的话题，但我们对这一日常现象的了解还远远不够全面。二维材料以其独特而简单的拓扑结构为探索丰富的摩擦物理提供了一个仙境。在上面的讨论中，我已经展示了一些例子，其中二维材料的超高柔韧性和复杂的变形模式在决定这些原子薄片上的摩擦行为方面发挥了重要作用。我相信一定会有更多有趣的例子，在这些例子中，力学对理解摩擦和2D材料的其他特性有很大的帮助。我们期待您的故事或评论。

参考文献

1.Novoselov, k.s.等。二维原子晶体。Proc。国家的。学会科学。美国编102,10451-10453(2005)。
2.Geim, A. K. & Novoselov, K. S.石墨烯的兴起。数学学报，6,183-191(2007)。
3.Geim, a.k.石墨烯:现状与展望。科学通报，24 (2009):1530-1534
4.Berman, D.， Erdemir, a .和Sumant, a . V.石墨烯:一种新兴的润滑剂。今日Mater Today 17,31 -42(2014)。
5.曹春辉，孙杨，和Filleter, T.原子薄膜力学行为的表征:综述。j .板牙。Res. 29, 338-347(2014)。
6.李春华，魏晓东，Kysar, J. W.和Hone, J.单层石墨烯弹性性能和本征强度的测量。科学21,385-388,doi:10.1126/ Science .1157996(2008)。
7.Akinwande等人。二维材料——石墨烯及其以外材料的力学和力学性能综述。极限力学，13,42-77(2017)。
8.Filleter, T.等。外延石墨烯薄膜的摩擦与耗散。理论物理。Rev. Lett. 102, 086102(2009)。
9.李，C.等。原子薄片的摩擦特性。科学28,76-80(2010)。
10.叶志军，唐超，董艳玲，马提尼，A.石墨烯层数对摩擦摩擦的影响。j:。物理学报，112(2012)。
11.邓，Z.等。支撑与悬浮单层和多层石墨烯的纳米级界面摩擦和粘附。Langmuir, 29, 235-243(2013)。
12.Paolicelli, G.， Tripathi, M.， Corradini, V.， Candini, A.和Valeri, S.石墨烯在SiO2和Ni(111)衬底上的纳米级摩擦行为。纳米技术26(2015)。
13.穆罕默迪，H.和穆瑟，M. H.皱纹的摩擦。理论物理。社会科学，2010(5)。
14.叶，Z.和Martini, A.悬浮和支撑石墨烯上纳米尺度摩擦载荷依赖的原子模拟。吉林大学学报(自然科学版)，2014(5):487 - 487。
15.崔，J. S.等。剥离单层石墨烯的摩擦各向异性驱动域成像。科学33,607-610(2011)。
16.吸附分子和分子薄膜的摩擦和能量耗散机制。物理进展，61,155-323(2012)。
17.潘科夫，O.，金，H.-J.。金，h - j。金，d.e。石墨烯摩擦学研究进展精密工程与制造学报，15,577-585(2014)。
18.施佩尔，J. C.， Ewers, B. W.和Batteas, J. D.。控制界面摩擦磨损的二维纳米材料。纳米今日10,301-314(2015)。
19.郭文林等。低维纳米材料系统的摩擦。摩擦学学报，2014,209-225。
20.克里洛夫，S. Y.和弗伦肯，J. W. M.原子尺度摩擦的物理学:基本考虑和开放问题。理论物理。[j] .固体物理学报，2014,33(2):711-736。
21.李绍忠等。石墨烯摩擦接触质量的演变。自然，539,541-545(2016)。
22.波登，F. P. &塔博尔，D.固体的摩擦和润滑。第二卷(克莱伦登，1958年)。
23.Carpick, R. W. & Salmeron, M.刮擦表面:原子力显微镜摩擦学的基础研究。化学。Rev. 97, 1163-1194(1997)。
24.Gnecco, E.， Bennewitz, R.， Gyalog, T. & Meyer, E.纳米尺度上的摩擦实验。j . Phys.-Condes。材料13,R619-R642(2001)。
25.Szlufarska, I.， Chandross, M. & Carpick, R. W.，单粗糙纳米摩擦学的最新进展。期刊。D-Appl。物理学报，41(2)，2008。
26.Mo, Y. F, Turner, K. T. & Szlufarska, I.纳米尺度下的摩擦定律。自然，457,1116-1119(2009)。
27.邓志强，李启勇，冯新强，和canara, R. J.纳米尺度化学修饰石墨的负摩擦系数。自然科学学报，11,1032-1037(2012)。
28.孙晓燕，祁永忠，欧阳文刚，冯新强，李庆英，石墨原子摩擦中的能量波状现象。《机械工程。科学学报，32,604-610(2016)。
29.小规模的摩擦学:一种自下而上的摩擦、润滑和磨损方法。(牛津大学出版社，2008)。
30.Geim, A. K. & Grigorieva, I. V. Van der Waals异质结构。《自然》(英文版)，2013年第4期。
31.伍兹，c.r.等。六方氮化硼上石墨烯的公度不相称跃迁。物理学报，2014,33(2):451-456。
32.Smirman, M.， Taha, D.， Singh, A. K.， Huang, z . f .。& Elder, K. R.石墨烯云纹图案的错取向影响。理论物理。中国生物医学工程学报，2017,085407(2017)。
33.郑，X.等。通过莫尔奈超晶格约束的石墨烯鲁棒超低摩擦状态。自然通讯，7,13204(2016)。
34.刘，J.等。云纹超晶格结构的横向力调制:在周期性波动的石墨烯片上冲浪。碳，125,76-83(2017)。
35.史仁勇等。云纹超晶格级粘滑不稳定性起源于几何波纹石墨烯在强相互作用的衬底上。2d Materials 4(2017)。