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凝聚态物理 > 材料科学

arXiv:2507.07716v1 (cond-mat)
[提交于 2025年7月10日 ]

标题: 硼烯的超润滑性:与hBN的摩擦学性能比较

标题: Superlubricity of Borophene: Tribological Properties in Comparison to hBN

Authors:Antoine Hinaut, B. Sena Tömekçe, Shuyu Huang, Yiming Song, Ernst Meyer, Antonio Cammarata, Willi Auwärter, Thilo Glatzel
摘要: 二维材料的摩擦学性能使其成为在宏观尺度上减少摩擦的良好候选材料。石墨烯、MoS\textsubscript{2}和 MXenes 以及六方氮化硼(hBN)已被观察到具有超润滑性,hBN 被用于减少或调节摩擦,但其他材料也被研究作为低润滑应用的潜在候选材料。具体来说,预测硼烯具有超低摩擦。在这里,我们实验研究了硼烯的摩擦特性,并使用硼烯-hBN 横向异质结构直接比较这两种互补二维材料的摩擦学性能。特别是,我们研究了滑动探针与 (i) Ir(111) 上弱起伏的$\mathcal{X}_6$-硼烯层或 (ii) 具有强起伏莫尔重构的 hBN/Ir(111) 超晶格结构之间的摩擦。我们的实验研究在室温下超高真空环境中进行,并结合普朗特-托姆林森(PT)模型计算,证实了预测的硼烯超润滑性,而 hBN 虽然表现出较高的摩擦,但仍被确认为低摩擦材料。第一性原理计算表明,相对于 hBN,$\mathcal{X}_6$-硼烯的较低摩擦可以通过较弱的探针/表面相互作用来解释。此外,我们通过扫描探针技术评估了硼烯和 hBN 的结构和电学性质,并比较了它们在振荡探针下的耗散情况,以研究摩擦过程中可能的能量耗散路径。我们的研究展示了硼烯的低摩擦特性,以及横向异质结构研究在直接比较这些二维材料特性方面的潜力。
摘要: The tribological performance of 2D materials makes them good candidates toward a reduction of friction at the macroscale. Superlubricity has been observed for graphene, MoS\textsubscript{2} and MXenes and hexagonal boron nitride (hBN) is used to reduce or tune friction, but other materials are investigated as potential candidates for low-lubricity applications. Specifically, borophene is predicted to have ultra-low friction. Here, we experimentally investigate frictional properties of borophene and use a borophene-hBN lateral heterostructure to directly compare the tribological properties of the two complementary 2D materials. In particular, we investigate the friction between a sliding tip and (i) the weakly corrugated $\mathcal{X}_6$-borophene layer on Ir(111) or (ii) the hBN/Ir(111) superlattice structures with a strongly corrugated moir\'e reconstruction. Our experimental study performed in ultra-high vacuum at room temperature combined with a Prandtl-Tomlinson (PT) model calculation confirms the superlubricity predicted for borophene, while hBN, which exhibits a higher friction, is nevertheless confirmed as a low friction material. Ab initio calculations show that the lower friction of $\mathcal{X}_6$-borophene with respect to hBN can be rationalized by weaker tip/surface interactions. In addition, we assess structural and electrical properties of borophene and hBN by using scanning probe techniques and compare their dissipation under the oscillating tip to investigate the possible path of energy dissipation occurring during friction. Our study demonstrates the low frictional properties of borophene and the potential of lateral heterostructure investigations to directly compare the properties of these 2D materials.
主题: 材料科学 (cond-mat.mtrl-sci) ; 中尺度与纳米尺度物理 (cond-mat.mes-hall)
引用方式: arXiv:2507.07716 [cond-mat.mtrl-sci]
  (或者 arXiv:2507.07716v1 [cond-mat.mtrl-sci] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.07716
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

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来自: Antoine Hinaut [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2025 年 7 月 10 日 12:54:17 UTC (16,946 KB)
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