近日，西南交通大学前沿科学院王杨教授团队在物理化学材料领域国际知名期刊《Langmuir》上发表题为“Temperature-Dependent Friction-Iuduced Surface Amorphization Mechanism of Crystal Silicon”的学术论文，王杨教授和机械学院摩擦所陈磊研究员为该论文的共同通讯作者。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.3c01663

硅材料表面因摩擦导致的非晶化是一种常见的表面损伤形式，这种损伤在一定程度上改变了硅的性能，如硬度以及热/化学稳定性，从而对其摩擦/磨损特性产生了显著影响。近年来，研究人员对摩擦诱导的硅非晶化行为及其影响因素进行了广泛研究，我们发现，温度作为摩擦过程中最重要的因素之一，其对硅非晶化过程的影响机制至今尚不清楚。这是因为温度的介入增加了界面研究的复杂性，例如摩擦过程中的界面剪切作用、非晶化速率、材料再结晶等都直接受到界面温度的影响，这使得该研究更具挑战。

图1 温度对硅表面摩擦诱导非晶化的影响机理图

本研究通过分子动力学（MD）模拟实验和数据分析，我们成功阐明了温度对单晶硅表面摩擦诱导非晶化的影响和作用机理。我们认为这一非晶化行为是由两个独立过程构成的：(i) 第一个是受热激活和剪切力驱动的非晶化过程，随着温度升高，热激活效应与界面剪切应力之间的相互作用使得非晶化速率出现"谷形"的温度依赖性；(ii) 第二个过程是由热激活触发的再结晶过程，其程度随着温度的升高而单调增强。由于温度促进的再结晶过程成为主导，所以我们观察到的非晶化程度随着温度的提高而减少。此外，我们还提出了理论模型来描述上述非晶化过程。总之，本项研究的成果为理解硅材料表面因摩擦而诱发的非晶化过程的温度相关性提供了深刻的见解，这将有助于实际工程中优化工艺参数，以降低摩擦磨损，从而延长硅基部件的使用寿命和提升设备可靠性。