清華新聞網(wǎng)4月18日電 微系統(tǒng)集成了傳感、通信、處理、執(zhí)行和微能源等多種功能單元，被視作21世紀(jì)的革命性技術(shù)之一。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及人形機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、6G通訊技術(shù)等新興產(chǎn)業(yè)的興起，微系統(tǒng)面臨著實(shí)現(xiàn)更低功耗與更長(zhǎng)壽命（甚至全壽命）的迫切需求。在這一背景下，基于半導(dǎo)體和傳統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的傳統(tǒng)微系統(tǒng)遭遇技術(shù)瓶頸，而具有極低摩擦和零磨損特性的自超滑技術(shù)，為微系統(tǒng)的發(fā)展帶來(lái)了全新機(jī)遇。

圖1.自超滑器件與微系統(tǒng)

近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院鄭泉水院士和助理教授彭德利團(tuán)隊(duì)，與清華大學(xué)徐志平教授團(tuán)隊(duì)共同發(fā)表有關(guān)結(jié)構(gòu)超滑滑動(dòng)器件的綜述，系統(tǒng)展示了自超滑技術(shù)在滑動(dòng)器件和微系統(tǒng)中的巨大應(yīng)用潛力。超滑微系統(tǒng)定義為集成了多種功能及超滑組件的微小型系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)超滑是指兩個(gè)固體表面在相對(duì)滑動(dòng)時(shí)近零摩擦和零磨損的狀態(tài)。這種獨(dú)特特性借助弱范德華界面的晶格失配得以實(shí)現(xiàn)，在滑動(dòng)過(guò)程中，橫向力相互抵消，使得摩擦力近乎消失。

圖2.自超滑：從原理到器件

2016年，鄭泉水團(tuán)隊(duì)將零磨損與零靜摩擦的概念引入超滑領(lǐng)域。后續(xù)研究中，研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中成功觀測(cè)到百公里滑動(dòng)距離零磨損、無(wú)粘滯的零靜摩擦狀態(tài)、穩(wěn)定的零摩擦系數(shù)。由于該狀態(tài)無(wú)需在兩個(gè)接觸固體界面添加潤(rùn)滑劑或其他添加物即可直接實(shí)現(xiàn)，2025年，鄭泉水團(tuán)隊(duì)在第三屆國(guó)際結(jié)構(gòu)超滑學(xué)術(shù)會(huì)議上將這一狀態(tài)命名為自超滑（Self-Superlubricity, SSL）。自超滑界面具備優(yōu)異的穩(wěn)定性，在高壓強(qiáng)（達(dá)9.45GPa）、高載流（達(dá)17.5GA/m2）、高低溫（5K至850K）等極端條件下，依然能保持極低摩擦和無(wú)磨損狀態(tài)，為自超滑器件和系統(tǒng)的優(yōu)異性能提供了堅(jiān)實(shí)保障。

近年來(lái)，隨著自超滑技術(shù)的快速發(fā)展，一類(lèi)基于滑動(dòng)機(jī)制的新型微機(jī)電器件——滑動(dòng)器件（Slidevices）應(yīng)運(yùn)而生。鄭泉水團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)梳理了滑動(dòng)器件這一創(chuàng)新概念從理論萌芽到關(guān)鍵技術(shù)突破的發(fā)展歷程。與MEMS依賴梁、板等微結(jié)構(gòu)形變的工作機(jī)制不同，滑動(dòng)器件創(chuàng)新性地利用自超滑界面實(shí)現(xiàn)極低損耗的平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式，這種獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)機(jī)制帶來(lái)了革命性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能突破，為微納機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展開(kāi)辟了全新路徑。

根據(jù)功能特性，滑動(dòng)器件可分為機(jī)械滑動(dòng)器件（Mechanical Slidevices）、電子滑動(dòng)器件（Electronic Slidevices）和可重構(gòu)滑動(dòng)器件（Reconfigurable Slidevices）三大類(lèi)。機(jī)械滑動(dòng)器件作為滑動(dòng)器件的典型代表，包括微型線性軸承和旋轉(zhuǎn)馬達(dá)等，其核心特征在于可實(shí)現(xiàn)大位移平動(dòng)和大角度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)保持極低摩擦系數(shù)和優(yōu)異耐久性能；電子滑動(dòng)器件通過(guò)滑動(dòng)界面的電子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和信息存儲(chǔ)，代表性器件包括微納米發(fā)電機(jī)、滑移鐵電器件。超滑技術(shù)的引入可顯著降低摩擦或釘扎勢(shì)壘，對(duì)于提升鐵電翻轉(zhuǎn)穩(wěn)定性、降低驅(qū)動(dòng)能耗具有革命性意義；可重構(gòu)滑動(dòng)器件通過(guò)滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)物理結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)，從而完成功能切換或多功能集成，其典型案例有通過(guò)扭轉(zhuǎn)操作調(diào)控其電子能帶結(jié)構(gòu)的二維材料異質(zhì)結(jié)、借助滑動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)器件功能實(shí)時(shí)重構(gòu)的動(dòng)態(tài)功能器件等。

盡管自超滑技術(shù)在滑動(dòng)器件及微系統(tǒng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出革命性的應(yīng)用前景，但其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程仍面臨材料制備、界面控制、制造集成和性能優(yōu)化等多重挑戰(zhàn)。在鄭泉水院士的帶領(lǐng)下，研究團(tuán)隊(duì)已在自超滑技術(shù)產(chǎn)業(yè)化方面取得重要進(jìn)展，成功開(kāi)發(fā)出具有超長(zhǎng)壽命的射頻MEMS開(kāi)關(guān)、高效率微特電機(jī)和微發(fā)電機(jī)等創(chuàng)新產(chǎn)品樣機(jī)。這些突破性成果為下一代通信系統(tǒng)、人形機(jī)器人和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域提供了全新的技術(shù)解決方案，也需要全球?qū)W術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和投資機(jī)構(gòu)開(kāi)展深度合作，共同推動(dòng)這一技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，開(kāi)創(chuàng)微納制造和微系統(tǒng)領(lǐng)域的新紀(jì)元，為高端裝備制造和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入強(qiáng)勁動(dòng)力。

相關(guān)綜述以“結(jié)構(gòu)超滑滑動(dòng)器件”（Structural Superlubric Slidevices）為題，于3月19日發(fā)表于《器件》（Device）雜志。

清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院助理教授彭德利為該論文第一作者，鄭泉水院士和徐志平教授為該論文的通訊作者。