研究背景
随着纳米科技的飞速发展，二维材料因其独特的物理和化学性质成为了研究的热点。特别地，二维材料的超润滑特性为减少能量耗散和提高机械效率提供了可能。然而，在实际应用中，由于材料表面的缺陷，如空位缺陷、吸附缺陷和原子替换缺陷，超润滑性往往难以实现，导致巨大的能量耗散。在这些过程中，电子和声子作为摩擦能量耗散的微观载体，其耦合是典型的耗散模式。然而，由于缺乏超快检测技术，电子-声子耦合的摩擦机制尚未完全阐明。在二维材料中，如石墨烯和WS2，电子的激发和能量传递至声子的过程发生在皮秒甚至飞秒的时间尺度上，这对于传统的检测技术来说是一个巨大的挑战。此外，电子-声子耦合对于摩擦能量耗散的影响也存在争议。一些研究将摩擦的增加归因于电子-声子耦合，而另一些研究则认为这与基底的粗糙度有关。因此，深入理解电子-声子耦合在摩擦中的作用，对于设计和制造具有超低摩擦系数的材料具有重要意义。
成果简介
在这项研究中，研究人员通过高分辨率非接触原子力显微镜和超快泵浦-探测光谱技术，揭示了WS2/石墨烯异质结构中层间电子-声子耦合的摩擦机制。他们发现，通过在石墨烯中引入缺陷，可以显著增强层间电子-声子耦合耗散通道，从而加速能量耗散。具体来说，缺陷提供了反冲动量，使得WS2中的电子与石墨烯中的声子满足动量守恒，从而促进了层间电子-声子耦合的发生。此外，通过建立包含耗散率和摩擦的模型，研究人员定量证明了超快层间电子-声子耦合对摩擦能量耗散的贡献。
图文导读
图1 展示了实验设置的示意图，使用自制的qPlus型非接触原子力显微镜检测摩擦能量耗散。超快泵浦-探测光谱用于确认电子和声子的动力学。层间电子-声子耦合在缺陷异质结构中占主导地位。
图2 随着缺陷密度的增加，拉曼光谱的演变。缺陷的引入满足了动量守恒，从而在缺陷WS2/石墨烯异质结构中诱导了层间电子-声子耦合。
图3 使用超快泵浦-探测光谱检测层间电子-声子耦合。不同辐照时间的WS2/石墨烯异质结构的超快泵浦-探测衰减迹线，
图4 摩擦能量耗散和电子-声子散射时间的定量分析。WS2/石墨烯异质结构的摩擦能量耗散与电子-声子散射时间的关系
小结
这项研究通过使用先进的非接触原子力显微镜和超快泵浦-探测光谱技术，深入探究了WS2/石墨烯异质结构中的摩擦能量耗散机制。研究人员发现，通过在石墨烯中引入缺陷，可以显著增强层间电子-声子耦合，从而加速能量耗散。这一发现不仅为理解二维材料中的摩擦机制提供了新的视角，也为设计具有超低摩擦系数的材料提供了可能。通过定量模型的建立，研究人员证明了超快层间电子-声子耦合对摩擦能量耗散的贡献，为控制二维材料中的摩擦能量耗散提供了新的策略。这项研究的发现有望推动超润滑材料的发展，为减少能量耗散和提高机械效率提供新的解决方案。
文献：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110371
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