清華新聞網(wǎng)3月23日電 摩擦是機(jī)械與電子器件中廣泛存在的能量損失機(jī)制。運(yùn)動(dòng)界面處的摩擦源于不可逆的力學(xué)過(guò)程以及聲子、電子的激發(fā)與耗散，是構(gòu)筑低能耗、長(zhǎng)壽命器件的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。自超滑技術(shù)利用非公度van der Waals界面將聲子摩擦抑制至最低程度，然而，隱藏在界面下的“電子摩擦”依然是實(shí)現(xiàn)極限能效的最后障礙。近日，清華大學(xué)鄭泉水、徐志平團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了基于自超滑界面的可重構(gòu)器件，通過(guò)力學(xué)與電學(xué)的方法控制界面耦合機(jī)制，首次在實(shí)驗(yàn)中將電子摩擦和聲子摩擦的貢獻(xiàn)分離并進(jìn)行獨(dú)立調(diào)控，并實(shí)現(xiàn)了具有極低耗散與超長(zhǎng)壽命的滑動(dòng)界面。
實(shí)現(xiàn)極低的摩擦與磨損是實(shí)現(xiàn)極低機(jī)械能耗散與極限穩(wěn)定狀態(tài)器件的極致追求。基于材料與界面體系的選擇與調(diào)控，傳統(tǒng)摩擦學(xué)研究側(cè)重于聲子散射所引起的摩擦，并通過(guò)自超滑等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了具有極低摩擦系數(shù)、摩擦力以及“無(wú)磨損”等性能的滑動(dòng)界面。然而，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的摩擦力指標(biāo)中包含了聲子和電子的共同貢獻(xiàn)，而實(shí)驗(yàn)中卻難以直接量化界面處的電子激發(fā)，因此，人們對(duì)于電子摩擦的理解存在基本認(rèn)知的缺失，明確其貢獻(xiàn)并實(shí)現(xiàn)器件層面的調(diào)控具有重要的理論與實(shí)踐意義。
研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期開(kāi)展自超滑科學(xué)與技術(shù)研究，基于具有原子級(jí)平整表面的van der Waals樣品制備和轉(zhuǎn)移技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了具有可滑動(dòng)界面的器件結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)通過(guò)力學(xué)和電學(xué)手段進(jìn)行器件狀態(tài)調(diào)控。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于石墨/MoS2器件，界面處于Schottky接觸狀態(tài)，且在半導(dǎo)體MoS2側(cè)存在耗盡層。該耗盡層隨著石墨電極的運(yùn)動(dòng)而不斷重構(gòu)，以此將機(jī)械能通過(guò)極化效應(yīng)導(dǎo)致的非平衡態(tài)電子激發(fā)能量耗散為Joule熱，而這正是電子摩擦的起源。
系統(tǒng)的研究表明，通過(guò)柵壓調(diào)控半導(dǎo)體耗盡層中的載流子密度，可以連續(xù)調(diào)控電子摩擦的幅值。進(jìn)一步的力學(xué)、電學(xué)調(diào)控發(fā)現(xiàn)，器件中的運(yùn)動(dòng)界面存在壓強(qiáng)與偏壓閾值，超過(guò)該閾值時(shí)，界面兩側(cè)的極化效應(yīng)消失，van der Waals能隙關(guān)閉，導(dǎo)致電子摩擦被“殺死”。這些證據(jù)證實(shí)了金屬/半導(dǎo)體接觸中耗盡層介導(dǎo)的能量耗散通道。作為對(duì)比，在具有“金屬型”界面（石墨/石墨）和“絕緣型”界面（石墨/h-BN）的器件中，該通道并不存在。這些結(jié)果為器件層面電子激發(fā)、耗散等過(guò)程的控制提供了基礎(chǔ)的理解。
圖1.器件層面的電子摩擦操控。左：自超滑運(yùn)動(dòng)界面器件電子摩擦的三種調(diào)控方式：壓力、偏壓與柵壓。右：電子摩擦與耗盡層內(nèi)的電荷密度相關(guān)，且可在壓力、偏壓超過(guò)閾值時(shí)被消除（van der Waals能隙被關(guān)閉）
在理論層面，由于器件運(yùn)動(dòng)的特征時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于耗盡層重構(gòu)的時(shí)間尺度，電子摩擦所導(dǎo)致的穩(wěn)態(tài)耗散過(guò)程可基于半導(dǎo)體物理模型進(jìn)行精確模擬與設(shè)計(jì)。同時(shí)，耗盡層重構(gòu)時(shí)間又顯著長(zhǎng)于界面滑動(dòng)的晶格激發(fā)表征時(shí)間（Washboard周期）與材料中本征電子激發(fā)的特征時(shí)間。這一顯著的時(shí)間尺度差異，使該機(jī)制區(qū)別于高速粒子或界面運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的傳統(tǒng)電子摩擦，構(gòu)成了可重構(gòu)微器件中獨(dú)特的能量耗散通道。
圖2.自超滑界面與電子摩擦的耗盡層重構(gòu)機(jī)制。左：石墨/MoS2可重構(gòu)器件側(cè)界面的電子顯微圖像。右：運(yùn)動(dòng)界面耗盡層重構(gòu)引發(fā)電子摩擦的物理圖像。界面電勢(shì)分布以顏色表示，耗盡層重構(gòu)時(shí)的電流通過(guò)箭頭描述
基于上述自超滑可重構(gòu)器件平臺(tái)，研究報(bào)道的電子摩擦力與聲子摩擦為同一量級(jí)，且在長(zhǎng)周次運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持穩(wěn)定服役狀態(tài)。因此，基于自超滑的可重構(gòu)界面不僅是在器件層面研究界面電聲子激發(fā)與耗散過(guò)程的理想平臺(tái)，也為開(kāi)發(fā)高能效、長(zhǎng)壽命的微系統(tǒng)技術(shù)提供了新的思路。
研究成果以“器件層面的電子摩擦操控”（On-Device Control of Electronic Friction）為題，于3月6日發(fā)表于《物理評(píng)論X》（Physical Review X）。
清華大學(xué)與浙江大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)2021級(jí)博士生于昭寬為論文第一作者，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院雙螺旋中心鄭泉水院士和航天航空學(xué)院、微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新研究中心教授徐志平為論文通訊作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委和深圳市科技計(jì)劃等的資助。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/jlc2-qmr1
供稿：航院
圖片設(shè)計(jì)：李秦圩
編輯：李華山
審核：郭玲
