二维半导体单层缺陷中电子摩擦能量耗散的超快动力学研究

摩擦导致约 1/3 的一次能源耗散，二维半导体器件中电子摩擦能量耗散显著，但超快尺度动态机制不明。本研究用飞秒瞬态吸收光谱，发现单层 WS?中电子能量耗散速率加快使摩擦增强，与滑动界面原子缺陷相关，为器件性能提升提供指导。

　　在微观世界里，机械器件的摩擦问题如同隐藏的 “能量吞噬者”，默默消耗着大量能源。据统计，摩擦是导致约 1/3 一次能源耗散的核心原因，这一问题在微纳尺度的机械器件中尤为突出。特别是在二维半导体器件领域，电子摩擦能量耗散现象变得异常显著，严重影响着器件的性能极限。然而，电子行为发生在超快时间尺度上，使得电子摩擦能量耗散的动态机制一直笼罩在神秘的面纱之下，传统的摩擦学仪器由于时间分辨率有限，难以捕捉到滑动界面处电子的超快动态过程，这极大地阻碍了人们对电子摩擦能量耗散通道和速率的理解，也成为了该领域亟待解决的关键科学难题。

为了揭开这一神秘面纱，清华大学的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们将目光聚焦于单层二硫化钨（WS?）这一典型的二维半导体材料，利用飞秒瞬态吸收光谱结合原子力显微镜等先进技术，深入探究电子摩擦能量耗散的超快动力学过程。这项研究成果发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上，为人们理解摩擦的起源和提升微纳器件性能提供了重要的新视角。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：

• 原子力显微镜（AFM）：用于构建 WS?薄膜滑动界面，测量样品 topography 和摩擦力，研究不同载荷下的摩擦特性。
• 飞秒瞬态吸收光谱：探测电子动力学，分析电子能量耗散通道和速率。
• 扫描透射电子显微镜（STEM）：观察原子结构，检测滑动后产生的原子缺陷及密度变化。
• 拉曼光谱和光致发光光谱（PL）：研究缺陷对电子性质的影响，验证电子被缺陷捕获的现象。

增强的摩擦与电子能量耗散速率增加相关

研究人员首先建立了基于 WS?薄膜的滑动界面。通过原子力显微镜观察发现，单层 WS?的厚度为 0.84 nm，在不同载荷下滑动后，样品表面 topography 无明显变化，但摩擦系数和电子能量耗散速率却随载荷增加而显著变化。当滑动载荷从 100 nN 增加到 3000 nN 时，电子能量耗散速率加快，摩擦系数也显著上升，表明摩擦的增加与电子能量耗散速率的提高密切相关。结合 WS?的电子性质与晶体结构的关系，推测这一现象与滑动过程中引起的微观结构变化有关。

原子缺陷导致摩擦增强

为了探究滑动后的微观结构变化，研究人员利用扫描透射电子显微镜进行观察，发现滑动区域存在大量硫空位（黄色圆圈标记），且随着滑动载荷的增加，缺陷密度从 0.09 nm?2 上升至 0.51 nm?2，表明原子缺陷的产生与载荷密切相关。通过原子力显微镜的侧向力模块测量不同缺陷密度区域的摩擦力，发现随着缺陷密度增加，摩擦力逐渐上升，摩擦系数从原始样品的 0.0102 增加到 0.0184，几乎翻倍，证实了原子级缺陷是导致摩擦增强的主要原因。

摩擦缺陷捕获电子的证据

拉曼光谱研究表明，当缺陷密度高于 0.42 nm?2 时，A?g 模式出现肩峰（D 模式，约 411 cm?1），归因于原子缺陷引起的晶格对称性破坏，且随着缺陷密度增加，D 峰强度增强，说明缺陷改变了样品的电子性质。光致发光光谱显示，随着缺陷密度增加，中性 A 激子（X?）PL 峰强度逐渐降低，而低温（77 K）PL 测量在缺陷区域观察到新的缺陷束缚激子（X?，1.75 eV）峰，直接证明了缺陷能量能级的存在及其对电子的捕获作用，为电子提供了除辐射复合之外的新能量耗散通道。

电子摩擦能量耗散的超快动态

飞秒瞬态吸收光谱结果显示，随着缺陷密度增加，电子能量耗散速率加快。原始样品的电子衰减轨迹可由单指数函数拟合，寿命约 85 ps，而缺陷样品的电子动力学更快，出现 1-10 ps 的快速衰减分量。通过双指数函数拟合，慢衰减分量（约 85 ps）归因于辐射复合，快衰减分量归因于缺陷捕获电子。计算得出平均寿命从原始样品的 85 ps 缩短至缺陷样品的 53 ps，整体电子能量耗散速率显著增加。这表明缺陷引入的新能量耗散通道加速了电子能量耗散，从而导致摩擦增强。

研究结论与意义

本研究通过超快光谱与原子力显微镜结合，揭示了二维半导体单层缺陷中电子摩擦能量耗散的超快动力学机制。实验表明，滑动界面产生的原子缺陷（如硫空位）会引入缺陷能量能级，在皮秒时间尺度捕获电子，为电子能量耗散提供新通道，加速能量耗散速率，进而导致摩擦增强。该研究首次直接解释了电子摩擦能量耗散的动态过程，突破了传统摩擦学仪器在超快时间尺度的检测限制，为原子级摩擦缺陷的探测提供了新方法。

这项工作不仅深化了人们对摩擦起源的理解，还为设计超低摩擦界面和优化半导体器件性能提供了关键指导。未来，进一步研究其他能量耗散机制（如声子耗散、衬底能量耗散等）的贡献，将有助于全面揭示摩擦增强的复杂机制，推动微纳机械器件和电子器件向高效、低耗方向发展。