AFM：纳米尺度上相分离的层状CuInP2S6中的非均匀摩擦行为

2023-06-08 03:06

海归学者发起的公益学术平台

分享信息，整合资源

交流学术，偶尔风月

摩擦会引起器件磨损和能量损耗，所以对摩擦的调控在新一代微型机电器件中具有重要意义。石墨烯等二维材料因为具有超低的摩擦性能，被认为是一种优异的固体润滑剂，从而引起了广泛的研究兴趣。然而，针对在新型纳米电子学中具有潜在应用前景的功能性范德华材料的摩擦特性的研究，如具有铁电性的硫代磷酸铜铟CuInP₂S₆，却很少。

近日，澳大利亚新南威尔士大学Jan Seidel教授课题组博士生王磊为第一作者，张大为博士和Jan Seidel教授共同通讯，Pankaj Sharma博士（现弗林德斯大学讲师）和西安电子科技大学罗拯东副教授共同作者，在国际著名学术期刊Advanced Functional Materials上在线发表了题为“Inhomogeneous Friction Behaviour of Nanoscale Phase Separated Layered CuInP₂S₆”的研究文章，该文章报道了铜缺的CuInP₂S₆(Cu_0.2In_1.26P₂S₆)中存在的不均匀摩擦行为，并对该现象背后的机理进行了讨论。

随着现代社会的发展，新型低功耗电子器件的发展对器件小型化的要求越来越高。为了减小设备的尺寸和重量，材料的表面体积比不可避免地增大，使得摩擦造成的负面影响变得不可忽视。摩擦会带来器件磨损和能量耗散，导致微纳机电系统功耗增加，使用寿命缩短。在这种情况下，被认为有可能在新兴器件中发挥关键作用的二维材料的摩擦行为引起了研究人员极大的研究兴趣。此前的研究已经报道了一些独特而重要的摩擦特性，包括超低摩擦系数、与厚度相关联的摩擦特性、各向异性的摩擦行为等。然而，上述研究大多集中在非极性范德华材料上，如石墨烯、二硫化钼(MoS₂)、六方氮化硼(hBN)等。功能性二维材料，如CuInP₂S₆(CIPS)，因其可作为新型纳米电子学中的重要功能元件而受到越来越多的关注。CIPS具有多种独特的性质，如共存并耦合的铁电性和离子导电性，巨大的负压电性，和可调控的四势阱等。此外，在铜缺的CIPS中还发现了自发的相分离现象，即铜离子的缺乏导致了铁电的CIPS相和非极性的In_4/3P₂S₆(IPS)相的分离。然而，铜缺的CIPS的摩擦行为，包括相分离所产生的影响，还有待进一步研究。基于此，本工作结合压电力显微镜和摩擦力显微镜对铜缺的CIPS的压电响应和摩擦行为进行了详细分析和表征。

压电力显微镜非常清晰地显示出两相的明显压电信号对比，树枝状的CIPS相呈现出很强的压电信号和180°畴，IPS相则只呈现出微弱的压电响应。摩擦力显微镜对同一区域进行测量后发现了不均匀的摩擦行为，并且顺电相IPS比铁电相CIPS具有更高的摩擦力，而两相之间的相界处摩擦力最小（如图1所示）。

图1.自发相分离的CIPS相和IPS相展现了不同的压电响应和摩擦行为。

为了进一步比较不同相的摩擦性能，需要获得精确的摩擦系数，摩擦力-载荷曲线可以有效地确定材料的摩擦系数，结果如图2所示。可以看到，在相同载荷下，IPS相的摩擦比CIPS相的摩擦要大，表明IPS相的摩擦系数更高，而相界的摩擦最小，因此摩擦系数也最低。拟合摩擦力-载荷曲线算出的IPS相、CIPS相和相界的摩擦系数分别为0.556、0.545和0.362。

图2.摩擦-载荷曲线。

随后，为了理解这种不均匀摩擦行为的机理，我们研究了与摩擦力直接相关的粘附力，如图3所示。粘附力，即针尖与样品之间的分子吸引力，会使探针与样品粘在一起，从而阻止探针在样品上滑动，增加探针的滑动阻力，从而增加样品的摩擦力。样品粘附力越大，摩擦力也就越大。结合压电响应图和粘附力图可以看出，CIPS相的粘附力比IPS相的低。由于分辨率的原因，很难在粘附力图上分辨出相界，但从力曲线上可以看出粘附力从IPS相到CIPS相再到相界呈现出依次降低的趋势，与图1中的摩擦力结果相吻合。

图3.两相的压电响应和粘附力图。

经过进一步研究发现，由于IPS和CIPS之间不同的晶格结构产生的晶格应变是造成这种特殊摩擦行为的原因。图4是不同相在针尖扫描过程中的变形示意图。之前研究表明铜缺的CIPS在面内和面外方向上会使得CIPS相受到压缩， IPS相受到拉伸。我们将从三个方面分析CIPS相，IPS相，和相界处的摩擦力情况。首先，被压缩的CIPS相和被拉伸的IPS相会试图回到初始的不受力状态。针尖滑动过程中向下的针尖压力将推动CIPS相进一步远离其初始状态，并帮助IPS相恢复到初始状态。因此，在针尖压力作用下，CIPS相内部会在纵向产生拉伸应变，使其趋于恢复初始状态，从而抑制了针尖滑动作用下的表面变形，从而降低针尖样品的粘附力，最终降低了摩擦力，而对于IPS相情况则相反所以，IPS相摩擦力比CIPS大。此外由于相界处的晶格应变最大，相界的变形最小，从而拥有最小的摩擦力。第二，由于样品中的IPS相含量远高于CIPS相(4:1)，混合相的晶格参数会更接近IPS相的晶格参数，所以CIPS相的应变远大于IPS相，而应变越大的相也就越难在外力下变形。第三，CIPS相比IPS相更硬，在外力下也就越难变形。

图4.不同相和相界在针尖下的变形示意图。

该工作报道了铜缺的CIPS中不同相和相界处的不均匀摩擦行为，并认为这种不均匀的摩擦行为的根本原因是不同相间晶格参数失配引起的晶格应变。被压缩的CIPS相会阻止针尖滑动时的表面变形，从而相对降低针尖与样品间的粘附力，从而降低摩擦力，应变最大的相界处这种效应最为明显。该发现有助于通过对材料进行设计来降低摩擦力，例如增加晶界密度，并对探索其他相分离的范德华材料系统具有启发性。此外，这种非均匀摩擦行为区分二维材料中不同相和相界提供了一个简易无损的检测方法，并且我们还可以通过调节相边界的方向来实现材料的各向异性摩擦行为，这可以用于控制纳米机电系统的摩擦行为以及随之而来的磨损和能量耗散。

在文章写作过程中，作者与西安交通大学的李苏植教授和缑高阳教授进行了有益的讨论，在此表示感谢。