《低维纳米摩擦机理及量子调控》

润滑是减少磨损、节约能源、提高工业生产效率和可靠性的重要措施。低维结构的摩擦(纳米摩擦)是科学研究的一个热点,也是未来超小微纳器件设计的基本理论基础。该项目在河南省科技创新人才计划、国家自然科学基金等多项基础研究项目的资助下,以低维体系的结构和摩擦规律为研究对象,针对纳米线和纳米厚度薄膜的幻数量子生长特性以及低维纳米尺度下摩擦机制的理解和摩擦因数的调控进行了深入和系统的研究。从电子层次给出了低维界面和表面的摩擦机理以及电子对摩擦的作用和影响,并在此基础上设计了几种调控摩擦的方法,赢得了国内外学术界的广泛认可,引领和推动了相关领域的研究和发展。主要成果包括:

(1)系统给出低维金属纳米线、纳米岛和薄膜量子幻数生长的特性:由于巡游电子的限域运动,导致在纳米尺度其粒子的形貌表现出奇特的量子幻数生长的特性,研究成果给出了金属纳米结构量子生长特性与维度以及价电子数的关系的统一物理图像。为该领域从事研究低维结构的纳米摩擦提供了研究基础。

(2)研究了纳米金刚石界面和石墨烯的纳米摩擦因数规律,设计了调控纳米摩擦的方案:研究发现由于H和F钝化对纳米晶金刚石界面电子结构影响的不同,发现H钝化的金刚石表面摩擦因数比F钝化的要大2~4倍。在对摩擦机制的电子层次深入理解后,提出通过掺杂P元素调控界面处的电子密度进而调制摩擦因数。发现用P元素掺杂界面后,可以将H钝化的纳米晶金刚石的摩擦因数减小2~8倍,而对F钝化表面不会改变摩擦因数。研究发现用单边H钝化或双边H钝化,可以极大的调控石墨烯的摩擦。发现单边H钝化的石墨烯摩擦因数最小,是一种可能的超滑摩擦。其次是石墨烯(大约为超低摩擦的4倍),双边H钝化的石墨烷摩擦因数最大(大约为超低摩擦的7倍),研究结果对纳米润滑剂的设计有重要的指导意义。

(3)应力和电场对二维材料摩擦性能的调控:发现压应力的二硫化钼比拉应力的有更小的摩擦因数,且发现当竖直方向施加一较大电场时,二硫化钼层间的摩擦因数会发生急剧的减小。不同堆垛的石墨烯对电场响应的不同,施加不同交变电场可以在-30%到30%幅度的调控石墨烯层间摩擦因数。

(4)分子楔子的摩擦学设计:用分子楔子剥离体相材料形成二维单层材料是研究的热点。提出了一种用分子楔子剥离制备石墨烯的方法,并从摩擦学出发提出设计分子楔子的原理。研究发现不同的侧链类型和种类和长度会影响芘基分子和石墨烯之间摩擦的大小,研究设计了四种可以用作分子楔子器件的分子体系,它们既具有和石墨面内作用强,还具有扩散快的特征。给出分子楔子剥离石墨制备石墨烯单层的理论原理。

该项目获得了国家自然科学基金和河南省科技创新人才等多项基础研究项目的资助,在低维尺度摩擦领域的研究方面取得了原创性的成果,并得到了相关领域国内外专家的肯定和认可。项目第一完成人贾瑜教授是“低维量子物理与量子功能材料”教育部创新团队带头人。8篇代表性论文,其中顶级期刊《Nano Letters》1篇,摩擦领域顶级期刊《Tribology Letters》4篇,专业权威期刊《Tribology International》2篇。验收组专家认为:“该项目围绕发现低维体系的纳米摩擦新规律为出发点,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,在金属薄膜量子尺寸效应对生长的选择性、薄膜量子尺寸效应对微观体系摩擦的调制、新型二维材料设计和特性量子调控等方面取得突出成绩。”

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