近日，我院计算物理与量子能源材料设计科研团队在二维电子化合物公度接触原子尺度摩擦学特性的研究中取得重要进展，相关成果以“Negative differential friction predicted in two-dimensional electride commensurate contacts: Role of the electronic structure”为题目发表在国际著名物理期刊《Physical Review B》上。其中物理学院2023届研究生王倩为论文的第一作者，我院赵兴举研究员和李顺方教授为共同通讯作者，郑州大学为第一单位。

近十年来，基于非公度接触界面的“结构超滑（Structural Superlubricity）”[Hod et al., Nature563, 485 (2018)]现象是摩擦学领域的重要进展，被认为是获取两个晶体表面之间极低摩擦的最有效方式之一。然而，在该界面相对滑动的动态过程中两个界面极有可能被锁定到公度接触状态，原因是公度接触往往具有较高的结构稳定性或更低的能量状态，从而导致结构超滑效应失效。

在本工作中，采用第一性原理计算方法，团队预测了在双层二维“电子化合物”（如Ca₂N、Sr₂N和Y₂C）的公度接触界面中，实现“电子润滑”（Electronic Lubricity）的可能性。所谓电子化合物，比如，Ca₂N([Ca₂N]⁺·e⁻),其显著特征之一是：费米面附近的电子在空间上受限在晶格的空隙处，并充当“阴离子”来保持整个体系的电中性。我们的研究发现，该二维体系公度接触界面相对滑动时具有负的微分摩擦系数μ，即,正压力N越大，滑动摩擦力f越小，即μ=df/dN<0。其中物理机制如下：在压力下，阳离子Ca的局域电子会显著向界面间隙处转移，形成相对巡游的间隙电子，从而有效屏蔽界面阳离子-阳离子之间的库伦相互作用，导致界面滑移势垒和摩擦力显著减小。与结构超滑显著不同的是，该工作中，电子化合物费米面附近的电子起到“电子润滑”(Electronic Lubricity)作用,而非源于非公度的几何效应，如示意图1所示。该工作中建立起来的“电子润滑”的概念能够对设计和制备更多高性能固态润滑剂的提供重要的理论指导。

该工作得到了国家自然科学基金委区域创新联合基金重点项目、面上项目、青年基金和郑州大学优青创新团队等项目的支持。

图1：二维电子化合物公度接触时由电子结构主导的负微分摩擦。随着外界负载的增加，界面电荷聚集，形成更加平整的滑动势能面，摩擦力减小，导致负的微分摩擦系数。

论文链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.109.085420