1266 / 2023-03-19 19:36:15

晶体非公度接触界面的摩擦力边缘效应

微纳机电系统的不断小型化对理解和控制微纳尺度接触界面的摩擦力提出了更高的需求。与宏观接触界面的摩擦主要受界面粗糙度影响不同，原子级平整界面中的摩擦力由原子间相互作用决定，因此取决于相互摩擦的两个表面的原子结构。当两个表面具有非公度的晶格结构或晶体取向时，它们之间的摩擦力极低，进入结构超滑状态。作为结构超滑的标志，摩擦力和接触面积之间的关系遵循幂指数关系F_f ∝ A^γ，且γ = 0。然而，对于具有有限尺寸的微纳尺度界面，由于周长面积比的增加，滑块的边缘会对摩擦产生显著影响。因此，当纳米粒子或纳米片在原子平面上滑动时，通常会观察到γ = ~0.5。尽管边缘摩擦效应的存在已被理论和实验揭示，但其微观机理和规律仍有待揭示。特别是，边缘相对于滑动方向的取向以及晶体相对转角对边缘摩擦效应的影响尚不清楚。我们构筑三氧化钼/石墨异质结摩擦体系，并通过原子力针尖操纵三氧化钼纳米岛在石墨上滑移，研究了晶体取向、滑移方向对摩擦力的影响。首先，发现摩擦力随相对晶体转角表现出各向异性，三氧化钼沿石墨大部分方向滑移时摩擦力几乎为零，只有沿石墨zigzag方向滑移时摩擦力显著增大。两种摩擦力状态下，摩擦力与纳米岛面积的依赖关系符合0.5次幂，说明为边缘主导的摩擦。分子动力学模拟证实了三氧化钼纳米岛的边缘原子与石墨的相互作用势能显著高于内部原子，且存在各向异性。本研究揭示了边缘摩擦效应中的新现象，为微纳尺度接触界面的摩擦力的调控提供了新思路。