摩擦能耗約占全球一次能源損耗的1/3，在微納器件中尤為突出。二維半導體（如WS?）因其獨特的電子特性成為研究熱點，但電子摩擦的動態機制因電子行為的超快特性長期難以捕捉。近期清華團隊在Nature Communications發表的研究[1]，首次揭示了原子缺陷對電子摩擦能耗的超快調控機制。

核心發現

研究通過飛秒瞬態吸收光譜結合原子力顯微鏡發現：

缺陷增強摩擦：當單層WS?表面硫空位密度從0.09 nm?2增至0.51 nm?2時，摩擦系數從0.0102升至0.0184（近乎翻倍）；

超快電子捕獲：滑動產生的硫空位在皮秒級（1-10 ps）內捕獲導帶電子，形成全新能耗通道（圖1b, 4d）；

能耗速率躍升：缺陷使電子平均能耗壽命從85 ps縮短至53 ps，能耗速率提升約60% 。

創新研究方法

跨尺度表征

原子力顯微鏡（AFM）定量不同載荷下滑動界面的摩擦系數；

球差電鏡（HAADF-STEM）直接觀測硫空位密度隨載荷增加的現象（圖1a）；

圖1

低溫光致發光譜（77 K）證實1.75 eV缺陷激子峰，揭示電子捕獲通道（圖2d）。

圖2

超快動力學探測

飛秒泵浦-探測技術（440 nm泵浦/625 nm探測）捕捉到缺陷區域的雙指數衰減：

快過程（1-10 ps）：缺陷捕獲電子

慢過程（~85 ps）：本征輻射復合

機制與意義

滑動過程產生的原子缺陷在WS?能帶中引入缺陷能級（圖2d），加速電子能耗。該研究首次建立了"缺陷密度→電子能耗速率→摩擦系數"的動態關聯，突破傳統摩擦學觀測的時間分辨率限制 。

應用前景：該機制為設計超低摩擦半導體界面提供了新思路，對提升微納器件能效具有重要意義。未來需進一步探索聲子耗散等協同效應 。

參考文獻

[1] Han R, Chen S, Wang C et al. Ultrafast dynamics of electronic friction energy dissipation in defective semiconductor monolayer. Nat Commun 16, 4615 (2025).

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-59978-7