清华团队首次实现电声子摩擦分离与器件层面独立操控
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清华新闻网3月23日电 摩擦是机械与电子器件中广泛存在的能量损失机制。运动界面处的摩擦源于不可逆的力学过程以及声子、电子的激发与耗散，是构筑低能耗、长寿命器件的关键挑战。自超滑技术利用非公度van der Waals界面将声子摩擦抑制至最低程度，然而，隐藏在界面下的“电子摩擦”依然是实现极限能效的最后障碍。近日，清华大学郑泉水、徐志平团队构建了基于自超滑界面的可重构器件，通过力学与电学的方法控制界面耦合机制，首次在实验中将电子摩擦和声子摩擦的贡献分离并进行独立调控，并实现了具有极低耗散与超长寿命的滑动界面。
实现极低的摩擦与磨损是实现极低机械能耗散与极限稳定状态器件的极致追求。基于材料与界面体系的选择与调控，传统摩擦学研究侧重于声子散射所引起的摩擦，并通过自超滑等技术实现了具有极低摩擦系数、摩擦力以及“无磨损”等性能的滑动界面。然而，实验测量得到的摩擦力指标中包含了声子和电子的共同贡献，而实验中却难以直接量化界面处的电子激发，因此，人们对于电子摩擦的理解存在基本认知的缺失，明确其贡献并实现器件层面的调控具有重要的理论与实践意义。
研究团队长期开展自超滑科学与技术研究，基于具有原子级平整表面的van der Waals样品制备和转移技术，实现了具有可滑动界面的器件结构，可以同时通过力学和电学手段进行器件状态调控。实验研究发现，对于石墨/MoS2器件，界面处于Schottky接触状态，且在半导体MoS2侧存在耗尽层。该耗尽层随着石墨电极的运动而不断重构，以此将机械能通过极化效应导致的非平衡态电子激发能量耗散为Joule热，而这正是电子摩擦的起源。
系统的研究表明，通过栅压调控半导体耗尽层中的载流子密度，可以连续调控电子摩擦的幅值。进一步的力学、电学调控发现，器件中的运动界面存在压强与偏压阈值，超过该阈值时，界面两侧的极化效应消失，van der Waals能隙关闭，导致电子摩擦被“杀死”。这些证据证实了金属/半导体接触中耗尽层介导的能量耗散通道。作为对比，在具有“金属型”界面（石墨/石墨）和“绝缘型”界面（石墨/h-BN）的器件中，该通道并不存在。这些结果为器件层面电子激发、耗散等过程的控制提供了基础的理解。
图1.器件层面的电子摩擦操控。左：自超滑运动界面器件电子摩擦的三种调控方式：压力、偏压与栅压。右：电子摩擦与耗尽层内的电荷密度相关，且可在压力、偏压超过阈值时被消除（van der Waals能隙被关闭）
在理论层面，由于器件运动的特征时间远长于耗尽层重构的时间尺度，电子摩擦所导致的稳态耗散过程可基于半导体物理模型进行精确模拟与设计。同时，耗尽层重构时间又显著长于界面滑动的晶格激发表征时间（Washboard周期）与材料中本征电子激发的特征时间。这一显著的时间尺度差异，使该机制区别于高速粒子或界面运动诱导的传统电子摩擦，构成了可重构微器件中独特的能量耗散通道。
图2.自超滑界面与电子摩擦的耗尽层重构机制。左：石墨/MoS2可重构器件侧界面的电子显微图像。右：运动界面耗尽层重构引发电子摩擦的物理图像。界面电势分布以颜色表示，耗尽层重构时的电流通过箭头描述
基于上述自超滑可重构器件平台，研究报道的电子摩擦力与声子摩擦为同一量级，且在长周次运动过程中保持稳定服役状态。因此，基于自超滑的可重构界面不仅是在器件层面研究界面电声子激发与耗散过程的理想平台，也为开发高能效、长寿命的微系统技术提供了新的思路。
研究成果以“器件层面的电子摩擦操控”（On-Device Control of Electronic Friction）为题，于3月6日发表于《物理评论X》（Physical Review X）。
清华大学与浙江大学联合培养2021级博士生于昭宽为论文第一作者，清华大学深圳国际研究生院双螺旋中心郑泉水院士和航天航空学院、微纳米力学与多学科交叉创新研究中心教授徐志平为论文通讯作者。研究得到国家自然科学基金委和深圳市科技计划等的资助。
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