硼烯的超润滑性：与其与hBN（六方氮化硼）相比的摩擦学性能

《ACS Nano》：Superlubricity of Borophene: Tribological Properties in Comparison to hBN

硼烯与hBN异质结构摩擦学性能比较及理论解释。实验通过STM、nc-AFM和接触AFM发现，硼烯在Ir(111)衬底上表现出超润滑特性（摩擦系数1.2×10?3），而hBN摩擦系数达2.0×10?2。原子力显微镜显示hBN层存在显著形变（平均位移0.43?），而硼烯层变形小（0.15?）。第一性原理计算表明，硼烯与Ir界面势垒较低（0.03eV/atom），hBN则高达0.12eV/atom。PT模型模拟验证了表面结构形变与摩擦系数的关联性。

　　在二维材料领域，摩擦学性能的研究一直备受关注，因为这些材料在宏观尺度上具有显著的减摩潜力。近年来，科学家们发现了一些具有超润滑特性的材料，如石墨烯、二硫化钼（MoS?）和MXenes，而六方氮化硼（hBN）则被广泛用于降低或调节摩擦。与此同时，其他材料也正在被研究，以期成为低摩擦应用的潜在候选者。其中，硼烯（borophene）因其理论上具有极低摩擦的特性而引起了广泛关注。硼烯是一种单层硼原子的结构，其在机械强度、电导率和化学反应性等方面展现出独特的性能。为了验证这一理论预测，本研究通过实验手段深入探讨了硼烯的摩擦特性，并利用硼烯/hBN的横向异质结构对这两种互补性二维材料的摩擦学行为进行了直接比较。

在实验中，研究人员在超高真空（UHV）环境下，利用扫描隧道显微镜（STM）和非接触原子力显微镜（nc-AFM）对硼烯和hBN在铱（Ir）（111）基底上的结构进行了表征。研究还结合了Prandtl–Tomlinson（PT）模型的计算，以进一步分析这两种材料的摩擦特性。研究结果表明，硼烯在实验中首次展现出超润滑性，其摩擦系数接近于零，而hBN虽然表现出较高的摩擦，但仍保持良好的耐磨性。这说明硼烯在摩擦学性能上具有显著的优势，而hBN则在某些情况下仍能作为低摩擦材料使用。

研究还揭示了硼烯与hBN在摩擦行为上的差异。通过横向异质结构的构建，研究人员能够直接比较两种材料的摩擦特性。实验发现，硼烯的摩擦力显著低于hBN，这与PT模型和第一性原理计算的结果相吻合。PT模型用于模拟摩擦过程中，当探针在表面滑动时所受到的力。该模型通过考虑材料的周期性结构、探针与表面之间的相互作用以及表面的弹性形变等因素，成功地再现了实验观测到的摩擦行为。计算结果表明，硼烯的表面形貌较为平滑，与探针之间的相互作用较弱，从而降低了摩擦阻力。相比之下，hBN的摩尔条纹结构（moiré pattern）导致其表面在摩擦过程中更容易发生形变，这可能是其摩擦力较高的原因之一。

此外，研究还通过第一性原理计算分析了硼烯和hBN的表面势能分布。这些计算表明，硼烯的势能势垒远低于hBN，进一步支持了其低摩擦特性的结论。通过比较两种材料在滑动过程中原子位移的幅度，研究人员发现硼烯的原子位移较小，而hBN的原子位移较大，这说明在摩擦过程中，hBN更容易发生形变，而硼烯则表现出更高的稳定性。这些结果不仅为理解二维材料的摩擦机制提供了重要的线索，也为未来在纳米尺度上开发新型润滑材料奠定了基础。

在实验方法方面，研究团队采用了一种创新的横向异质结构生长方法，通过向预热的Ir（111）基底上依次沉积二硼烷（diborane）和硼嗪（borazine），成功地制备了硼烯和hBN的异质结构。这种方法不仅能够实现两种材料的共存，还为研究它们之间的界面特性提供了理想的平台。在材料表征过程中，研究人员利用了多种扫描探针技术，包括STM、nc-AFM和接触式原子力显微镜（contact AFM），以获取高分辨率的表面结构和摩擦行为数据。这些技术的结合使得研究人员能够全面地了解硼烯和hBN在不同条件下的物理和化学行为。

研究还通过摩擦力测量进一步验证了硼烯的超润滑特性。实验中，研究人员在不同负载条件下测量了摩擦力，并发现硼烯在低负载下表现出接近于零的摩擦系数，而在高负载下摩擦力逐渐增加。然而，通过降低负载，超润滑特性可以被恢复，这表明硼烯在摩擦过程中具有较好的稳定性。相比之下，hBN在相同负载下表现出更高的摩擦力，但其在摩擦过程中并未发生明显的磨损，这说明hBN虽然摩擦力较高，但仍然具备一定的润滑性能。

本研究不仅在实验上验证了硼烯的超润滑特性，还通过理论模型和计算方法深入探讨了其摩擦机制。通过PT模型的计算，研究人员能够模拟探针在不同材料表面滑动时所受到的力，并进一步分析这些力的来源。模型计算结果显示，硼烯的表面势垒较低，与探针之间的相互作用较弱，这解释了其较低的摩擦力。同时，hBN的高摩擦力与它的摩尔条纹结构和较高的能量耗散有关。这些发现为理解二维材料在摩擦过程中的行为提供了新的视角，并为未来在纳米尺度上开发高性能润滑材料提供了理论支持。

此外，研究还探讨了硼烯和hBN的电子特性。通过开尔文探针力显微镜（KPFM）测量，研究人员发现硼烯的接触电位差（CPD）高于hBN，这表明硼烯具有更高的功函数。这一结果与之前的研究一致，进一步支持了硼烯作为低摩擦材料的潜力。同时，通过X射线光电子能谱（XPS）分析，研究人员确认了硼烯与Ir（111）基底之间的强相互作用，这可能是其摩擦性能优异的原因之一。

在摩擦学研究中，了解材料的结构、电子特性和与基底的相互作用至关重要。本研究通过横向异质结构的构建，不仅能够直接比较硼烯和hBN的摩擦特性，还能研究它们在不同条件下的物理行为。这种研究方法为未来探索其他二维材料的摩擦特性提供了新的思路，并展示了横向异质结构在材料科学中的重要应用价值。

综上所述，本研究通过实验和理论计算相结合的方法，首次在实验上验证了硼烯的超润滑特性，并通过横向异质结构的构建，深入探讨了其与hBN之间的摩擦行为差异。研究结果表明，硼烯在摩擦过程中表现出极低的摩擦力，而hBN虽然摩擦力较高，但仍具有一定的润滑性能。这些发现不仅为二维材料在摩擦学领域的应用提供了重要的理论依据，也为未来在纳米尺度上开发高性能润滑材料提供了新的研究方向。