近日，清华大学摩擦学国家重点实验室联合国家纳米中心、北京科技大学团队，揭示了小角度单-多层扭转石墨烯在外力扰动下的“多米诺骨牌形式”的堆垛转变。导电原子力显微镜（c-AFM）实验表明，在摩擦过程中的外力扰动下，接触电导分布将发生多米诺骨牌形式的“翻转”，使高导电性的区域和低导电性的区域发生了切换（图1a）；结合实验现象和所提原子接触质量（ACQ）模型，将导电性分布的“翻转”归结于界面的原子堆垛、石墨烯层间和表面载流子密度的转变（图1b），即扭转多层石墨烯在外力扰动下，在两种亚稳重构状态之间切换，导致了导电性分布的“翻转”；利用分子动力学模拟，揭示了两种重构状态之间的转变可能源于顶层石墨烯在探针扰动下的非均匀面内变形，导致了畴内堆垛结构发生翻转，并且孤子网络的应变状态随之发生改变（图1c）。该工作首次揭示了扭转单-多层石墨烯中存在可通过外力诱导可逆切换的两种亚稳重构状态，同时也为理解摩擦过程中的原子堆垛演化及其对接触电导的影响提供了更加深入的认识。

图1 力学扰动诱导的扭转多层石墨烯“多米诺骨牌形式”的原子堆垛转变

该研究工作于4月21日在线发表于《Nature Materials》，论文题为“Domino-like stacking order switching in twisted monolayer–multilayer graphene（https://doi.org/10.1038/s41563-022-01232-2）”。清华大学摩擦学国家重点实验室马天宝副教授、李群仰教授、冯西桥教授为本文的通讯作者，参与该工作的还有国家纳米中心刘璐琪研究员和北京科技大学高磊副教授等。清华大学张帅博士、徐强、宋爱生和国家纳米中心侯渊博士为论文共同第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。

界面的摩擦和电传输的耦合机制是摩擦学领域的重要基础科学问题之一，其中电流对摩擦的调控机理、以及摩擦界面的电传输机理是研究者广泛关注的问题。清华大学马天宝副教授课题组在该领域开展了一系列研究工作。在电流对摩擦的调控机理方面，通过测量外加电流下c-AFM探针-石墨烯（Ru（0001））纳米滑动电接触的摩擦力，揭示了外加电流引起的摩擦力分布图案的改变（图2a）；密度泛函理论（DFT）+非平衡格林函数的计算表明，摩擦力的调控是滑动过程中势能起伏的改变引起的（图2b），源于外加电流下摩擦体系和电极之间电子转移涨落（图2c），在此基础上提出了基于界面性质涨落（EPF）模型，适用于多种金属、半导体和绝缘体摩擦体系，为理解电子行为对摩擦的贡献提供了更加深入的认识（Nano Lett., 2022, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c04116）。

图2 外加电流引起的摩擦力调控、势能起伏改变和电子转移涨落

在摩擦界面电传输机理方面，提出了基于原子接触质量（ACQ）的界面电传输模型，揭示了界面原子堆垛结构和载流子密度对范德华界面电导的影响（Nano Lett., 2019, https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.9b00695）；并利用该模型，揭示了扭转双层石墨烯界面的摩尔云纹对接触电导的调控作用（Small, 2020, https://doi.org/10.1002/smll.201902844），以及原子堆垛重构引起的接触电导反常非单调变化（Science Advances, 2020, https://doi.org/10.1126/sciadv.abc5555），加深了人们对摩擦界面电传输机理的认识。