二维材料范德华异质结的界面摩擦行为研究

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随着超精密机械和高科技设备的发展,二维材料及其组成的范德华异质结已经成为新兴的替代材料,广泛应用于生物、航天、医药、能源和计算机等领域。目前由于实际工程的应用需要,应变工程、剪纸结构与衬底支撑等处理技术在现实材料工程的应用中愈发重要。然而,这些手段造成材料结构上的改变对二维材料范德华异质结的摩擦性能影响尚不清楚,且材料的摩擦与磨损往往又是造成器件失效与损坏的主要原因,因此这极大地限制了范德华异质结在诸多高科技领域的发展。本文基于分子动力学模拟方法,针对二维材料范德华异质结的界面摩擦行为开展相关的研究,并深入探索微纳米界面的摩擦机理。文章研究的主要内容大致归纳为以下三部分:(1)面内应变对石墨烯/二硫化钼异质结界面摩擦行为的影响。建立了石墨烯/二硫化钼范德华异质结模型,通过对二硫化钼施加平面预拉伸,研究异质结界面摩擦变化。发现由于范德华异质结材料构成的特殊性,其自身存在着天然的非公度结构,使得界面之间的超润滑性质具有极强的鲁棒性。拉伸应变既不会改变结构非公度特性也不会使莫尔图案消失,因此范德华异质结的界面摩擦性能对于面内应变变化并不敏感。(2)剪纸缺陷对石墨烯/二硫化钼异质结界面摩擦行为的影响。通过构建具有特定剪纸结构的范德华异质结,研究石墨烯在经过不同剪纸缺陷时的摩擦行为变化。揭示了石墨烯变形导致的变形能增大、应力集中和刚度变化,是影响异质结界面摩擦性能的主导因素。此外将尺寸效应纳入考虑,随着剪纸尺寸的增大,异质结界面摩擦力的峰值逐渐增大,石墨烯的最大压入深度逐渐增大。(3)硅基支撑对石墨烯/二硫化钼异质结界面摩擦行为的影响。设计不同拓扑形貌的支撑硅基衬底,测量石墨烯/二硫化钼范德华异质结的界面摩擦力变化。指出硅基衬底的支撑作用会削弱异质结的变形,且降低异质结下层的势垒高度,使得有硅基衬底支撑的异质结润滑性能强于悬空状态下的异质结。同时将尺寸效应纳入考虑,增大异质结尺寸可以有效降低硅基支撑异质结的界面摩擦力,一旦滑片尺寸可以覆盖硅基衬底的支撑区域,就可以增强结构的润滑特性,并降低磨损。
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