近日，清华大学机械工程系在探测超快能量耗散领域取得重要进展。相关成果以“成像范德华异质结中缺陷调控层间电声耦合的超快过程” （Visualizing ultrafast defect-controlled interlayer electron-phonon coupling in van der Waals heterostructures）为题发表在《先进材料》期刊上（Advanced Materials）。

从能量耗散角度探索超滑本质一直是摩擦学领域的前沿课题，从本质上讲，电子耗散和声子耗散主导了摩擦能量耗散的微观过程，而这些过程通常发生在超快时间尺度（飞秒至纳秒）。二维范德华异质结由于具有弱的层间作用力和原子级光滑表面，从而成为构建超滑界面的理想载体。而实际中，摩擦界面经常伴随着缺陷的生成，造成超滑的失效。因此，探究缺陷如何影响范德华异质结中的层间能量耗散过程对揭示超滑失效机理具有重要意义。

该工作中，通过在石墨烯/WS2异质结的石墨烯表面引入原子级缺陷，发现缺陷可以改变异质结的层间能量耗散途径。对于无缺陷样品，层间能量耗散途径主要为电荷转移；但引入缺陷后，缺陷提供反冲动量，打破了层间动量守恒限制，使层间电声耦合成为新的耗散途径，属于层间超碰撞过程（图1）。因此，缺陷的出现会加快范德华异质结中层间能量耗散速率。而这些能量耗散过程发生在超快尺度，课题组自主搭建了飞秒瞬态吸收成像系统，直接成像了电声耦合的超快能量耗散过程（图2），发现随着缺陷浓度的增加，电声耦合的散射时间从7.1 ps加快到2.4 ps，实现了利用原子级缺陷浓度调控电声耦合速率。这为揭示缺陷导致超滑失效的机理提供理论支持，也为检测摩擦界面原子级缺陷提供了新思路。

清华大学机械系雒建斌院士和刘大猛副教授为论文共同通讯作者，机械系博士后刘欢为论文第一作者，2019级博士生王江彩和2017级博士生刘媛双等参与了重要工作。该工作得到国家自然科学基金委（重大科研仪器研制和青年科学基金）、博士后创新人才支持计划等项目经费支持。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202106955   

图1. 飞秒瞬态吸收成像技术探测原子级缺陷辅助电声耦合过程的示意图。

图2. 直接成像缺陷浓度调控电声耦合速率的超快过程。