Nanotribological properties of van der Waals heterostructures

Abstract

The 2D materials exhibit excellent tribological properties due to their weak inter-plane interactions, such as the ultra-low friction, which can be further tuned by number of layers, application of electric bias, stacking of different materials into a van der Waals heterostructure, and change of substrate. In this work, the tribological properties of 2D materials were investigated experimentally by means of atomic force microscopy techniques in ultra-high vacuum and theoretically with atomistic simulations. Friction measurements on epitaxial graphene on SiC(0001) show that the ultra-low friction is limited by a normal load threshold, above which friction increases by one order of magnitude. Simulations suggest that, at contact pressures above 10 GPa, the high-friction regime is a result of an intermittent sp3 rehybridization of graphene and the formation of covalent bonds. Friction on the MoS2/graphene heterostructure is dominated by adhesion due to the out-of-plane deformation of the MoS2 layers. Increasing the number of MoS2 layers decreases friction as the flexural compliance decreases. Higher friction was recorded on MoSe2/hBN compared to graphene/hBN heterostructure or pristine hBN. Work on exfoliated materials was facilitated by the application of navigational microstructures.

2D Materialien zeigen hervorragende tribologischen Eigenschaften, die mit der schwachen Wechselwirkung zwischen den Lagen erklärt werden können. Die extrem niedrige Reibung kann zusätzlich eingestellt werden durch die Anzahl der Lagen, Anlegen einer elektrischen Spannung, das Stapeln verschiedener 2D Materialien in eine Heterostruktur, oder die Wahl des Substrats. In dieser Arbeit wurden die tribologischen Eigenschaften von 2D Materialien experimentell mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie im Ultrahochvakuum untersucht. Die Ergebnisse werden mit atomistischen Simulationen verglichen. Reibungsmessungen auf epitaktischem Graphen auf SiC(0001) zeigen, dass die extrem niedrige Reibung durch einen Grenzwert in der Auflagekraft begrenzt ist, oberhalb dessen die Reibung um eine Größenordnung ansteigt. Simulationen legen nahe, dass oberhalb eines Kontaktdrucks von 10˜GPa das Auftreten höherer Reibung auf eine zwischenzeitliche sp3 Rehybridisierung und die Bildung kovalenter Bindungen zurückgeführt werden kann. Reibung auf der MoS2/Graphen-Heterostruktur wird von Adhäsion bestimmt, die durch eine Verformung der MoS2-Lagen in Richtung der AFM-Spitze verstärkt wird. Eine Erhöhung der Zahl an MoS2-Lagen verringert die Reibung da die Verbiegungssteifigkeit steigt. MoSe2/hBN zeigt höhere Reibung als Graphen/hBN Heterostrukturen oder hBN. Die Untersuchung der exfolierten 2D-Materialien im Ultrahochvakuum wird erst möglich durch die Anwendung von Mikrostrukturen zur Positionsbestimmung.