北京航空航天大学与中国海洋大学Materials Today Physics：石墨烯纳米片在石墨烯上滑动的边缘钉扎效应

研究背景

在机械系统和系统工程方面，我们都知道摩擦力是一个普遍存在的问题。在日常生活中，我们需要使用润滑剂来减少摩擦力，但是在一些高端应用领域，如航空航天、半导体等，需要实现超低摩擦，以提高性能和延长寿命。然而，边缘效应是阻止实现超级润滑的有害因素之一。如何消除边缘效应，实现超级润滑一直是研究领域的一个难题。

近日，北京航空航天大学仪器科学单光存教授团队与中国海洋大学豆副教授团队在Materials TodayPhysics期刊上合作发表了题为“Edge-pinning effect of graphene nanoflakes sliding atop graphene”的研究论文。

研究内容

本研究论文通过广泛的从头计算，在原子水平层面上，考虑了两个对比模型，即具有二聚化和原始边缘的石墨烯纳米片在石墨烯单层上的滑动（如下图1）。研究发现，对于未对齐的接触，二聚化的边缘固定效应是显而易见的。这种情况提供了沿边缘的局部共轭，类似于奥布里固定相。与共轭接触下双层石墨烯中的一个原子相比，每个二聚化边缘碳原子对滑动潜能能量起伏的贡献甚至更高，高达1.5倍（如图2）。因此，在滑动过程中动态和随机的边缘二聚化将显着影响摩擦学性质，并可能是解释实际摩擦参数差异的重要来源。另一方面，我们发现边缘对摩擦的贡献与晶格方向有关，在对齐接触中被抑制。这解释了实验结果发现，摩擦力主要由内部原子而不是边缘固定所主导。为了消除不良的边缘效应，我们采用应变工程和边缘氟化来构建摩擦学系统。然而，二聚化的边缘作为高摩擦固定位点，对这两种方法都非常稳健。

图1：滑动模拟的代表性原子模型。在纳米湖顶部与(a)二聚体和(b)在石墨烯衬底上的原始边缘的错位接触。在石墨烯衬底上与(c)二聚体和(d)原始边缘进行对齐接触。边缘的碳原子用红色突出显示。黑色箭头表示纳米湖的滑动方向。

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.

图2: 边缘钉扎效应对应变工程的稳健性。(a)在具有二聚边缘的纳米湖上，沿x轴的单轴拉伸应变。(b)原子模型和在10 %拉伸应变下滑动屏障最大值的二聚边缘局部相称区域的(c)示意图。薄片的边缘和内部的碳原子分别用红色和蓝色表示。灰色的线和球代表衬底中的碳原子。

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.

研究意义

本研究的创新点在于，通过第一性原理从头计算，提供了微观层面上的原子信息，解决了超级润滑中的一个关键问题，即如何消除边缘效应。这项研究对于理性设计超低摩擦的范式具有重要意义，有望为提高超级润滑系统的性能和使用寿命提供指导。

全文链接地址：

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