摩擦能耗约占全球一次能源损耗的1/3，在微纳器件中尤为突出。二维半导体（如WS₂）因其独特的电子特性成为研究热点，但电子摩擦的动态机制因电子行为的超快特性长期难以捕捉。近期清华团队在Nature Communications发表的研究[1]，首次揭示了原子缺陷对电子摩擦能耗的超快调控机制。

核心发现

研究通过飞秒瞬态吸收光谱结合原子力显微镜发现：

缺陷增强摩擦：当单层WS₂表面硫空位密度从0.09 nm⁻²增至0.51 nm⁻²时，摩擦系数从0.0102升至0.0184（近乎翻倍）；

超快电子捕获：滑动产生的硫空位在皮秒级（1-10 ps）内捕获导带电子，形成全新能耗通道（图1b, 4d）；

能耗速率跃升：缺陷使电子平均能耗寿命从85 ps缩短至53 ps，能耗速率提升约60% 。

创新研究方法

跨尺度表征

原子力显微镜（AFM）定量不同载荷下滑动界面的摩擦系数；

球差电镜（HAADF-STEM）直接观测硫空位密度随载荷增加的现象（图1a）；

图1

低温光致发光谱（77 K）证实1.75 eV缺陷激子峰，揭示电子捕获通道（图2d）。

图2

超快动力学探测

飞秒泵浦-探测技术（440 nm泵浦/625 nm探测）捕捉到缺陷区域的双指数衰减：

快过程（1-10 ps）：缺陷捕获电子

慢过程（~85 ps）：本征辐射复合

机制与意义

滑动过程产生的原子缺陷在WS₂能带中引入缺陷能级（图2d），加速电子能耗。该研究首次建立了"缺陷密度→电子能耗速率→摩擦系数"的动态关联，突破传统摩擦学观测的时间分辨率限制 。

应用前景：该机制为设计超低摩擦半导体界面提供了新思路，对提升微纳器件能效具有重要意义。未来需进一步探索声子耗散等协同效应 。

参考文献

[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