石墨烯/金属氧化物半导体层间摩擦₂石墨烯/ NbSe₂Tellurene /金属氧化物半导体₂和Tellurene / NbSe₂范德瓦耳斯异质结构

介绍

摩擦对人们的现代生活有深远的影响和工业生产。据估计,各种摩擦消耗世界上1/3的一次性能源。此外,由摩擦引起的磨损是机械损伤的主要原因,是在纳米尺度上更严重。设备的大小减少和比表面积增加,表面力和表面效应成为影响性能的主要因素和nanodevices的生活。因此,有效减少摩擦磨损具有重要意义。

Hirano和Shinjo理论上预言两个刚性表面之间的静摩擦力不相称的联系可能接近零(Hirano Shinjo, 1990;Shinjo Hirano, 1993),这种现象叫superlubricity。然而,没有绝对严格的物质或材料在自然界中。二维材料的发现和崛起,用石墨烯(诺沃肖洛夫et al ., 2004),提供了一个新的机会,理想固体润滑剂的设计和开发。石墨烯单层只有一个原子层厚度(0.335海里),这是迄今为止已知最薄的材料。石墨烯具有强烈的平面刚度,是因为其强大的共价键。然而,相对较弱的层间范德华就是secu * tanu减去vdW()相互作用使其容易实现层间滑动。这些属性,二维材料被证明是理想的实现superlubricity车辆。然而,这种superlubricity显示低摩擦只在不适应的状态。此外,另一种机制存在生成低摩擦。根据热逸运动的机理(Washizu et al ., 2012;Maeda Washizu, 2018),石墨烯的叠加状态相称的水平也可以产生超低摩擦。追逐石墨烯的性能时,大量的二维材料已经准备好了,如过渡金属dichalcogenides (TMDCs),黑磷、和h-BN。在2017年,朱等人预测一个新的二维单层材料(朱et al ., 2017),即。,tellurene, by first-principles calculations. Different from two-dimensional layered materials, there is no layered structure in the bulk structure of 2D tellurene. Although these two-dimensional materials are only a few atomic layers thick, their anti-friction effect is comparable to that of bulk lubricated materials. The discovery of the excellent mechanical and tribological properties of two-dimensional materials further promotes the study of their friction behavior.

两个晶体表面的散装材料,在接触界面的形成有显著影响滑动摩擦。2004年,一个开创性的演示实验是由石墨纳米superlubricity的联系Dienwiebelet al。(Dienwiebel et al ., 2004),他发现超低摩擦在石墨的起源在于旋转石墨层之间无从比较。此外,金属氧化物半导体的superlubricity₂,这也是常用的固体润滑剂,已进行了广泛的调查研究。Tasuku et al。(Onodera et al ., 2010)研究了双层金属氧化物半导体的滑各向异性₂使用分子动力学方法,结果表明,金属氧化物半导体的润滑₂在很大程度上是依赖于其层间接触原子尺度。然而,实施superlubricity主要局限于纳米级,和任何表面缺陷或表面粗糙度可以摧毁superlubricity当扩展更大的尺度。在不知疲倦的努力下,郑等人观察self-retracting运动在石墨岛系统(郑et al ., 2008),成功地扩展superlubricity宏观的尺度。然而,2 d homostructural系统,即使在不相称的超低摩擦配置,界面接触状态有旋转的趋势走向一致的比例配置在高摩擦滑动,最终锁定状态(Filippov et al ., 2008)。此外,零维碳nanoscrolls superlubricity属性(伯曼et al ., 2015)和一维的碳纳米管(Zhang et al ., 2013)得到了广泛的关注并取得了superlubricity宏观联系人。

为了避免上述问题,研究人员试图堆栈不同二维材料形成2 d范德华异质结构。由于内在的晶格常数接口不匹配,不能通约存在即使在一致的配置,这有助于实现健壮的结构性superlubricity。首歌等人研究了石墨烯片h-BN表面的滑动过程,发现足够大的石墨烯片将会产生一个非常稳定的superlubric h-BN表面滑动时状态(歌et al ., 2018)。与superlubricity行为之间的双层石墨烯,石墨烯/ h-BN异质结构保留superlubricity甚至在配置保持一致。此外,研究人员取得了许多重大进展在液体superlubric系统。罗等人发现其他超低摩擦系统,如Brasenia施赖伯(BS)粘液(李et al ., 2012)和混合水溶液的甘油和硼酸(Zhang et al ., 2011),实验研究了其superlubricity性能(郑,刘,2014年;肖et al ., 2019)。基于这些研究,研究者们进行了许多更详细的层间摩擦影响因素的研究,如旋转角、样品厚度、形状和大小,温度,滑动方向,滑动速度和正常负载(Zworner et al ., 1998;三浦Kamiya, 2002;Dienwiebel et al ., 2004;Verhoeven et al ., 2004;Filippov et al ., 2008;李et al ., 2009;角和Bennewitz, 2010;李et al ., 2010;李et al ., 2010;你们et al ., 2012;Dietzel et al ., 2013;利文湖et al ., 2013;范Wijk et al ., 2013;艾力达et al ., 2014;李et al ., 2016;Dietzel et al ., 2017;铜质把手et al ., 2017;王et al ., 2019 a;“et al ., 2020;瞿et al ., 2020;俄文et al ., 2020;Vazirisereshk et al ., 2020;俄文et al ., 2021)。具体地说,俄罗斯等。俄文et al ., 2020),而石墨烯/石墨烯系统之间的层间摩擦和金属氧化物半导体₂/摩斯₂系统和温度的影响,探索滑动方向,相对速度、法向力的摩擦力。不幸的是,没有统一的解释这些因素如何影响摩擦。

在这项工作中,我们调查了四个不同的二维异质结构的层间的摩擦特性,即。石墨烯/金属氧化物半导体₂石墨烯/ NbSe₂,α-tellurene /金属氧化物半导体₂和α-tellurene / NbSe₂通过分子动力学的方法。此外,异构结构的层间摩擦特性进行了详细地为不同的叠加角,接触区域,接触形状、厚度、温度、滑动方向,滑动速度和正常的负载。层间摩擦和影响因素之间的关系是彻底的讨论。

方法

所有使用大规模原子/分子模拟进行大规模并行模拟器LAMMPS (Plimpton 1995)。应该注意,总共有四个异质结构系统建在这项工作的比较研究二维材料的层间superlubricity特点,特别是石墨烯/金属氧化物半导体₂石墨烯/ NbSe₂,αte / NbSe₂,αte /金属氧化物半导体₂。在所有系统中,金属氧化物半导体₂和NbSe₂被用作低基质材料,石墨烯和αte被设置为上滑块。二维示意图所示的模型飞机图1模拟对金属氧化物半导体₂,NbSe₂石墨烯,α3.22 (te,而他们的晶格参数Mehmood et al ., 2021(3.53),马约et al ., 2015(2.46),杨et al ., 2018(4.15),王et al ., 2018),分别。所示图1 e,我们介绍了仿真模型通过石墨烯/ NbSe₂系统作为一个例子(见SupplementaryFigure S1在S1补充的信息的细节αte / NbSe₂系统),和其他系统是相似的。模型由单层石墨烯表和一个单层NbSe₂作为衬底。具体来说,最低的Se NbSe原子₂是固定的,它看起来像原子在实验中,他们强烈吸附在衬底上。此外,我们考虑的摩擦特征异构结构由不同形状的石墨烯薄片,如三角形、矩形和六角表。图2显示了三个异质结构由三个不同形状的石墨烯薄片扭曲30°,堆满了各种各样的底物。

分子动力学模拟的关键是确定近邻原子之间的相互作用。在我们的模拟中,碳碳原子的相互作用是反应所描述的经验键序(REBO)潜力(布兰诺et al ., 2002)。Stillinger-Weber (SW)潜力(江、周,2017年)是用来描述在Mo-S共价相互作用,Nb-Se, Te-Te夹层(俄文et al ., 2021)。Lennard-Jones (LJ)就是secu * tanu减去vdW势函数是用来描述二维层之间的交互。具体来说,LJ潜力的参数仿真中列出表1和2(灵巧的et al ., 1992)。描述的势函数之间的相互作用力的二维层材料,据报道,类似的结果可以从层间摩擦的研究获得使用LJ潜力和Kolmogorov-Crespi (KC)潜力(王et al ., 2019 b)。此外,LJ潜力可以显著加快仿真。就是secu * tanu减去vdW因此,部队之间的2 d材料使用LJ工作中存在潜在的描述。LJ潜在的截止长度设置为10。

目前的MD模拟主要包括两个过程:放松和滑动。我们放松每个系统50 ps在NVT系综下,这使我们获得更稳定的配置。后来,衬底上的滑动板被连接到一个谐波弹簧刚度K = 10 eV⁻²拉的X以一个恒定的速度方向V = 1 / ps。整个滑动过程持续了400 ps。整个模拟,一个常数法向力F_n= 0.02 nN应用/原子的原子的滑块,滑块的旋转在放松和滑动(见是有限的补充图S1详情)。周期性边界条件中使用X和Y方向,而自由边界条件应用于Z方向。在所有模拟,时间步长设置为1 fs。我们选择了Nose-Hoover恒温器方法来控制温度,除非温度对摩擦性能的影响被认为是;否则,温度保持在T = 1 K。

根据提出的计算方法刘et al。(刘和张,2011年),摩擦力沿X方向是计算 $\overline{Fx}=\frac{1}{n\lambda }{\displaystyle \underset{0}{\overset{n\lambda }{\int }}{f}_x\left(\mathrm{年代}\right)d\mathrm{年代}}$ ,在那里λ是移动期间,n是时间的数量,f是瞬时摩擦,年代是相对滑动的时间步。同样的,我们计算的法向力Z方向使用 $\overline{Fz}=\frac{1}{n\lambda }{\displaystyle \underset{0}{\overset{n\lambda }{\int }}{f}_z\left(\mathrm{年代}\right)d\mathrm{年代}}$ 。摩擦系数在界面摩擦力之间的比例和正常的负载,这是 $\mu =\overline{Fx}/\overline{Fz}$ 。此外,除非另有规定,“摩擦”一词在本文中是指总层间滑动的摩擦力。

结果与讨论

扭转角对摩擦的影响

我们调查的影响层间扭角四个新的异质结构的摩擦性能。在图3异质结构的层间摩擦,显然证明随旋转角度的常数法向力0.02 nN /原子和1 K的温度。原子上单的数量表示的n .石墨烯/金属氧化物半导体₂和石墨烯/ NbSe₂系统中,摩擦系数显示了一个周期性变化的旋转角度。这是与之前的结果一致首歌et al。(歌et al ., 2018)。曲线以60°为周期,是由周期性六角晶格结构。当旋转角度为0°和60°,摩擦系数达到最大,异质结构的接触状态保持一致。摩擦系数在最低的旋转角度30°。此外,我们考虑温度对层间摩擦性能的影响,不同的旋转角度,并显示了生成的结果补充图S2。温度的增加会导致原子的热振动的增加,导致层间摩擦阻力降低,然后旋转角上的摩擦系数的依赖减弱。所示图3 b-f相比,我们得到的滑动摩擦系数表大小不同的底物,我们可以察觉到表的大小越小,越难实现superlubricity(见扭转角对摩擦的影响详细讨论)。表的大小越大,越大的角度实现superlubricity。比较这两个不同的系统,石墨烯/ NbSe的摩擦系数₂低于石墨烯/金属氧化物半导体吗₂在相同的条件下。这是由于晶格失配的石墨烯/ NbSe就越大₂异质结构。与石墨烯/石墨烯相比homostructure系统(俄文et al ., 2020),可以看出均匀结构系统的摩擦系数高于异质结构的接触状态保持一致。此外,homostructure系统更敏感的旋转角度,而异质结构的摩擦系数降低后慢慢旋转角度的变化。这是与以往的研究一致(Dienwiebel et al ., 2004;Filippov et al ., 2008;王et al ., 2019 a;俄文et al ., 2020)。

通过结合分析与势能表面(PES),我们进一步探讨了旋转角度与摩擦力之间的关系。在微观层面,势能波动在接口动摩擦的起源(郭et al ., 2011)。因此,我们绘制了势能面=的异质结构在不同的旋转角度,如图所示图4。石墨烯板和顶部之间的层间相互作用能使用LJ的衬底计算潜在的函数的质量中心的位置坐标表(X -和Y分别相互重合选择沿扶手椅和曲折的方向)和相对扭转角θ。从图4,我们可以清楚地看到,石墨烯/金属氧化物半导体₂和石墨烯/ NbSe₂异质结构,旋转角度的PES的波动θ= 0°远远超出其他角度因为石墨烯片与衬底晶格形成一个一致的接触。相应的PES波动在其他旋转角度都顺畅。PES波动越平滑,滑动过程中能源消耗越少,系统结构更可能使结构superlubricity。

在同样的方式,我们的层间滑动行为调查αte /金属氧化物半导体₂和αte / NbSe₂异质结构在相同的模拟条件下,如图所示图5。从计算结果中图5 a - c,它可以发现的αte /金属氧化物半导体₂异质结构,层间摩擦显示一个明显的周期性变化的旋转角度。但是,对于αte / NbSe₂异质结构,层间摩擦的周期性不明显时,滑块尺寸很小。增加了尺寸后,周期性逐渐出现。由于晶格周期性是破碎的边界,这导致减少边界原子的绑定。因此,边界原子原子比中央更活跃。一个小滑块大小意味着更多的边缘效应明显,我们详细讨论扭转角对摩擦的影响。进一步阐明在摩擦角变化的原因的αte /金属氧化物半导体₂和αte / NbSe₂系统,我们绘制滑动势能面这两个系统的配置,如图所示图6。我们可以清楚地看到的势能表面的起伏程度与摩擦系数的大小相对应。势能的一个小波动意味着在滑动系统能量损失很小,即。,一个小滑动阻力。对于这两个异质结构,αte /金属氧化物半导体₂和αte / NbSe₂时,势能表面是平层间扭转角比当扭角15°0°和30°。在图5,这两个异质结构有较低的摩擦系数的旋转角度15°,和的结果都是一致的势能面计算。与此同时,我们发现αte /金属氧化物半导体₂和αte / NbSe₂异质结构,旋转角度调节系统的层间摩擦,但superlubricity不能发生(摩擦系数大于一个数量级的1000)。的αte /金属氧化物半导体₂和αte / NbSe₂异质结构需要更多的潜在障碍被克服滑路径比石墨烯/金属氧化物半导体₂和石墨烯/ NbSe₂异质结构由于界面滑动阻力的摩擦机制主导tellurene异质结构。然而,对于石墨烯垂直,摩擦是由边界效应,详细分析扭转角对摩擦的影响。

接触的大小对摩擦的影响

摩擦是独立于宏观的接触面积,因为实际接触面积在原子尺度上的总表面积的一小部分。但是,在原子尺度,它是至关重要的理解之间的关系联系的大小和摩擦控制摩擦。铜质把手等人发现,所有接触大小,均匀相称的界面展示高度耗散粘滞滑移运动,导致size-independent静态和动态摩擦(铜质把手et al ., 2017)。相比之下,不相称的界面有明显的尺寸效应。在本节中,我们调查的关系联系的大小和摩擦下的异质结构一致的接触。

在此,我们将讨论摩擦力的变化对三种不同形状的滑块大小使用参数,即。perimeter-to-area比(P / A),已用于引用(Belghachi Khelifi, 2006)。P / A的值越高,比例越大的原子的边缘滑动条。所示图7四个异质结构,异质结构的摩擦会减少与增加P / A,与先前计算的结论是一致的(王et al ., 2019 c)。此外,图7表明摩擦减少速度当P / a < 0.2,是一个近似的线性减少。然而,当P / > 0.2,下降的速度逐渐减慢。正如前面提到过的,在我们的MD模拟,正常加载是通过加载0.02 nN每个原子最外层的滑块。一个更大的滑块意味着更大的正常负载。由于不同结构的石墨烯和αte,相同的接触面积对应于不同数量的正常负载。因此,我们重新划分了摩擦系数之间的关系曲线和P / A所示补充图S3(S1补充的信息)。摩擦系数与特定的周长(P / A)和异质结构的石墨烯αte表现出不同的变化趋势。石墨烯/金属氧化物半导体₂和石墨烯/ NbSe₂异质结构,摩擦系数的增加线性增加P / A,这意味着滑块大小越小,摩擦阻力越高。一个小滑块大小也意味着更高的原子百分比的优势。但是,对于αte /金属氧化物半导体₂和αte / NbSe₂异质结构,摩擦系数随P /的增加而线性减小,暗示滑块大小越大,摩擦阻力越大。大滑块大小也意味着更大的接触面积的界面。这表明他们有两个完全不同的摩擦机制。

进一步调查两种不同的层间摩擦机制,我们绘制了摩擦力的变化(平均每个原子的滑块)与特定的周长(P / a)。边缘原子比内部原子的增加随着滑块大小减少(如所示补充图S4,辅料S1),边缘原子系统的贡献减少摩擦。石墨烯/金属氧化物半导体₂和石墨烯/ NbSe₂异质结构,如所示图8 a, C单原子摩擦显示一个线性增加,提高P /石墨烯的滑块。这一现象有关的摩擦主要来自接触界面边缘固定。显示了相同的结论曲et al。(瞿et al ., 2020),在那里他们分离的内部区域滑块接触界面的边缘区域,分别计算的摩擦力,实验证实,摩擦力主要来自边缘。此外,边缘原子可以展示大扭曲由于其低的限制,从而导致大摩擦(郭et al ., 2011;铜质把手et al ., 2017)。

然而,在αte /金属氧化物半导体₂和αte / NbSe₂异质结构,如所示图8 b, D观察,异常现象,即。,a trend of decreasing friction (averaged to each atom) with increasing P/A. The increase in P/A means that the percentage of boundary atoms increases. The friction shows a decreasing trend, indicating that for this heterostructure, the interlayer friction is not dominated by edge pinning but due to the in-plane interface sliding resistance mainly contributing to the friction. Liao et al. defined the shear strength年代和edge-pinning强度E一个有限大小的滑动条如下(廖et al ., 2021):

在哪里 $F_r$ 摩擦力,一个域的面积,P的周长是滑块。当摩擦主要是受到界面的滑动阻力的影响,抗剪强度年代是恒定的滑块区域。当摩擦力主要来自边缘固定,E关于滑块周边是常数。所示图9,我们出了抗剪强度年代与域面积为四个系统。此外,插图显示了相应的边缘固定强度的趋势E域边界。

石墨烯/金属氧化物半导体₂和石墨烯/ NbSe₂异质结构,如所示图9 a, C,边把力量E相对于周边的滑块是恒定的。我们相信,摩擦力主要来自于边缘。在αte /金属氧化物半导体₂和αte / NbSe₂异质结构,如所示图9 b, D,抗剪强度年代相对于滑块的面积是恒定的。我们相信,在这两个系统,摩擦力由滑动阻力的接口。

根据Prandtl-Tomlinson模型(汤姆林森,1929),当上层移动原子分为静态原子形成的势阱,如果上原子移动时,需要克服的势垒势阱,导致增加阻力。然而,如果上面的原子不落入势阱,移动时阻力很小。这个量子阻力摩擦在宏观看来,这也是摩擦的起源。对于上面提到的系统,也就是说,一个二维材料滑块滑动平面上的二维材料,我们可以把二维材料矩阵作为一个潜在的领域。从原子层面,每个原子的贡献的滑动摩擦力的程度取决于原子势阱落入矩阵。它落在势阱更深,更大的摩擦力,其贡献和浅落入势阱,贡献越小摩擦。滑块,每个原子的接触表面上相同的滑块是相同的,但原子的位置是不同的。在滑动过程中原子运动的范围是不同的,导致这一事实如果原子运动的范围很大,原子很容易落入矩阵的势阱。原子运动的范围可以表示原子的均方位移(MSD) (Kubečka et al ., 2016)。通过使用内置命令Lammps软件,我们可以很容易地计算平均平方位移系统的原子与相应的定义方程如下所示:

其中N是粒子的数量,t代表时间,r(t₀+t)- - -r(t₀)是通过给定的向量距离粒子在一段时间内,和<…>系统综合平衡后的均值。

换句话说,滑块原子的贡献的摩擦与默沙东原子。如果原子的MSD很大,对摩擦的贡献很大;否则,对摩擦的贡献很小。

所示图10滑块,我们区分为两个部分:边缘和内部区域。我们进一步计算的平均MSD原子在两个区域分别平均在整个医学轨迹。最后给出了计算结果表3。

石墨烯/金属氧化物半导体₂边缘地区的异质结构,平均原子位移显著大于中心区域的平均位移,这表明边缘原子有一个相对更大范围的运动,因此,边缘原子更容易被困在能量最低的底物,从而导致边缘固定的效果。因此,边缘原子导致更多摩擦比中央原子,的总摩擦滑动条,边缘原子的贡献占主导地位。

为αte /金属氧化物半导体₂异质结构,原子的位移边界地区仍大于原子的位移在内部区域,边缘效应可以解释的事实总是用于有限滑块大小。不同于石墨烯/金属氧化物半导体₂系统中,原子的内部区域αte滑块也有一个大的原子转变,这表明内部原子也同样容易落入井基质形成的潜力,和增加摩擦力的增加界面接触面积;因此,为αte /金属氧化物半导体₂异质结构,界面滑动阻力的主要来源是摩擦力。

一般来说,固定的边界效应存在于所有研究滑块。石墨烯/金属氧化物半导体₂和石墨烯/ NbSe₂异质结构系统,这个边界将摩擦的主要来源。为αte /金属氧化物半导体₂和αte / NbSe₂异质结构,平面原子锁住效果更明显;即边界将不是摩擦的主要来源,和平面界面摩擦起着主导作用。

滑动层的数量对摩擦的影响

单层石墨烯已报道有较高的摩擦比多层石墨烯和石墨(李et al ., 2009);然而,这种现象的潜在机制仍有待讨论。早期的研究认为薄的二维摩擦的增加皱纹和地方寄样品(李et al ., 2010;李et al ., 2010;你们et al ., 2012;李et al ., 2016)。在我们的模拟中,石墨烯层不同厚度选择幻灯片在衬底上的石墨烯层(M)不同的从1到10。与此同时,我们还考虑了三种形状:三角形、矩形、六角表。对于不同的形状,每个层的原子数(N)是1980年,1860年和1260年。石墨烯的初始相邻层之间间距设置为0.34 nm。图11显示了摩擦力之间的关系和石墨烯的层数不同的形状。一般来说,一个更小的层数对应于一个更大的摩擦力。摩擦系数显示下降趋势随着石墨烯层数的增加,和下降趋势减缓,当层数M > 4。

根据理论给出引用(廖et al ., 2021),层间摩擦来自两个部分:一个是由粘连引起的,其他是通过增加负荷引起的。当负载不变,摩擦力的大小变化与粘附的变化。当我们模拟层数之间的关系和摩擦,负载也不变。根据文献(Pourzand et al ., 2013),层间附着力随层厚度增加(层数)。,当滑块的层数增加时,滑块之间的附着力和基质减少,导致减少摩擦,如图所示图11。

温度对摩擦的影响

进一步比较研究温度的影响在不同的层间摩擦系统中,模拟进行了四个异质结构的温度在1 K, 50 K, 100 K, 150 K, 200 K, 250和300 K。在我们的模拟,正常负载和滑移速度设置为0.02 nN /原子和1 / ps,分别。滑块的滑动方向设置的滑动X方向。仿真结果所示图12。我们发现的变异趋势四个系统的摩擦力随温度几乎是一样的;换句话说,摩擦首先随着温度增加而减小,然后基本上维持不变,这与先前的报道是一致的(赵et al ., 2007;Smolyanitsky 2015;“et al ., 2020)。

的层间摩擦力的影响,温度对异质结构可以解释如下:正如上面提到的,二维的层间摩擦范德瓦耳斯异质结构可以看作是由两部分组成(廖et al ., 2021):一个是之间的粘附层(层间相互作用),另一个是摩擦引起的加载(相关结构的二维材料)。研究温度对摩擦的影响,我们采取了同样的负载的模拟。通过这种方式,我们只需要研究层间附着力和温度之间的关系。邓等人给理论研究(邓和浆果,2016),随着温度的增加,原子热振动加剧,和纳米尺度的波动将不可避免地出现在二维材料,导致有效接触面积的减少和降低粘附力。结论:二维材料的层间附着力随增加温度已经被实验证实(Polfus et al ., 2021)。

我们计算的上S原子的坐标基材金属氧化物半导体₂在Z设在方向,这是为了表明滑动接触界面的波动的程度。(见补充图S5)。可以清楚地看到,滑块和衬底之间的接触界面波动很大,虽然在其他非接触区域持平。此外,所示补充图S5B接触界面的动能分布高于其它地区。这一结果表明,纳米尺度的涟漪在接触界面,直接导致实际接触面积的减少。换句话说,二维的层间摩擦材料随着温度增加而减小。值得一提的是,层间摩擦力随温度变化迅速,很快达到一个恒定值,为四个系统相似,表明纳米涟漪不再增加达到一定的温度后,附着力达到恒定值,层间摩擦也达到一个恒定值。

滑动方向对摩擦的影响

层间摩擦各向异性的二维材料研究了很长一段时间,并有证据表明,在二维层间摩擦各向异性材料是由不同的晶格取向。这里,我们比较四个异质结构的层间摩擦的变化时,滑块沿着不同的滑动方向。我们选择上滑块滑动沿着0°15°、30°、45°,60°、75°和90°方向,在0°完全对应于沿滑动方向X方向。正常负载被设定一个常数0.02 nN /原子,和滑动速度是1 / ps。

进一步明确描述层间摩擦滑动方向的影响,系统的温度设置为1 K的模拟。所示图13,我们可以发现,滑动方向的摩擦力的变化相对较小的异质结构;即异质结构比homostructures低摩擦各向异性,在以前的研究工作和结论是一致的(俄文et al ., 2020)。由于自然的异质结构的晶格失配,即使异构结构一致的联系,上滑块可以顺利滑动不管滑动方向,因此表现出一个小摩擦各向异性。摩擦各向异性仍然显示了不同的异质结构系统可变性。所示图13 b,两个αte /金属氧化物半导体₂和αte / NbSe₂比石墨烯/金属氧化物半导体异质结构有更大的各向异性₂和石墨烯/ NbSe₂系统和展览一个重要60°周期性。与后者相比,前者的势能表面波动极大地在滑动过程中,表现出更明显的各向异性。

滑动速度对摩擦的影响

我们进一步研究了数值层间摩擦。正常负载保持在0.02 nN /原子,滑动方向是固定的X方向,系统温度控制在1 K。详细的结果所示图14。

从图14石墨烯/金属氧化物半导体₂和石墨烯/ NbSe₂异质结构,以低滑动摩擦力基本上维持不变的速度,当它以增加的速度显著增加。仿真结果同那些在前面的文献报道(Zworner et al ., 1998;希恩利,2017年)。此外,Zworner实验证明线性增加摩擦和滑动速度大滑动速度是由于强阻尼效应(Zworner et al ., 1998)。然而,我们得到完全不同的结果αte /金属氧化物半导体₂和αte / NbSe₂异质结构。随着滑动速度的增加从0.1到0.5 / ps,摩擦力近似线性增加。然而,当滑动速度超过0.5 / ps,有减少摩擦的趋势,如图所示图14 b。我们发现的αte /金属氧化物半导体₂和αte / NbSe₂异质结构,随着滑动速度的增加,接触部分的温度也会增加,即。,当地气温上升明显与滑动速度增加。系统温度的增加来自于高速滑动期间增加原子热振动,如前所述温度对摩擦的影响,从而导致摩擦的增加αte /金属氧化物半导体₂和αte / NbSe₂系统。据报道,地对地接触导致热激活。反过来,热激活密切相关,滑动的速度(Smolyanitsky 2015)。当滑动速度相对比较快,热激活可能发生,导致一个较小的滑动阻力,从而减少摩擦,如图所示图14 b。

正常负载对摩擦的影响

我们研究了正常负载和四个异质结构的层间摩擦,而选择正常负载分别为0.02,0.1,0.2和0.5 nN /原子。仿真结果所示图15。

发现正常负载大约是线性相关的摩擦异质结构研究,同意先前的研究结果(三浦Kamiya, 2002;李et al ., 2009;角和Bennewitz, 2010;范Wijk et al ., 2013;艾力达et al ., 2014;Baykara et al ., 2018;王et al ., 2019 a)。大型飞机的正常负荷往往导致变形。此外,对于一个单独的层滑块,正常负载的增加意味着减少层间距。系统接口的有效接触面积增加,导致系统中的粘滑运动现象。因此,原子之间的交互变得更强,导致一个线性增加摩擦。

结论

在本文中,我们详细研究了四种不同的范德瓦耳斯异质结构的层间摩擦的分子动力学方法,同时从不同的影响因素(即。,堆积角、接触区域,接触形状、厚度、温度、滑动方向,滑动速度和正常加载)一直在研究和探讨。发现了许多重要的法律与层间摩擦,主要如下:

(1)扭转角可以有效地调节范德华异质结构的层间摩擦。异质结构在接触对齐时,栓塞形成后症状(PES)的波动在滑动是最大的,而摩擦系数达到最大。此外,我们发现superlubricity现象不能发生αte /金属氧化物半导体₂和αte / NbSe₂系统。

(2)石墨烯/二硫化钼和石墨烯/ NbSe2系统、层间摩擦显示与增加线性增加滑块具体周边P / a,而在αte /金属氧化物半导体₂和αte / NbSe₂系统,它显示了一个大大相反的趋势。造成这种差距的原因是,边把和平面界面摩擦扮演主导的角色在不同的异质结构。

(3)四个异质结构,层数的影响规律,在层间温度,正常负载摩擦显示一致性。然而,速度对摩擦力的影响的四个异质结构显示了显著的变化。温度的增加从原子热振动的增加在高速滑动接触部分,在摩擦导致的异常变化αte /金属氧化物半导体₂和αte / NbSe₂系统。

目前的工作揭示了摩擦不同影响下的演变规律,为一个二维系统的设计提供了参考与超低层间摩擦。

数据可用性声明

最初的贡献提出了研究中都包含在这篇文章/补充材料,进一步的调查可以针对相应的作者。

作者的贡献

YW:软件、方法论、原创作品草稿准备。格:软件、方法论Writing-Review和编辑WQ:概念化,Writing-Review和编辑,监督KT:数据管理TX |:资源。

资金

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号52072308)和中央大学的基础研究基金(批准号. .3102021 ms0404和3102019 jc001)。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

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