近期，K体育·「中国」官方网站计算凝聚态物理课题组在二维材料层间作用机理与应用研究方面取得新进展。二维过渡金属硫化物（TMDs）层间摩擦性质的研究“Effect of metallicity on interlayer frictional potential energy of transition metal dichalcogenides under normal load”发表在《Physical Review B》(2025, 112, 155414)，硕士研究生张新宇为第一作者，石兴强教授和王江龙教授为通讯作者；另一项关于二维材料层间多能级作用机理的研究“Interlayer multi-level orbital coupling in 2D materials: Beyond the two-level paradigm”发表在《The Journal of Chemical Physics》(2025, 163, 164704)，博士研究生王聂卫为第一作者，张虎博士、石兴强教授和王江龙教授为通讯作者。
二维过渡金属硫化物（TMDs）在固体润滑材料中展现出巨大潜力，从电子结构方面理解其机理对于设计低摩擦系数材料至关重要。作者通过对比研究金属性d1与半导体d2 TMD双层结构在法向载荷下的摩擦势垒的变化，发现金属性TMD具有更低的摩擦势垒，并且超过一定负载后，摩擦势垒随着法向载荷增加而降低。对于金属性d1 NbS2单层，存在半填充能带；在双层结构中，层间轨道作用将半填充能带转化为两个电子填充数不同的成键-反键能带，电子可以从能量较高的反键能带转移到能量较低的成键能带，这种带间电子转移有效减少了金属性TMD层间的泡利排斥作用。相比之下，半导体性d2 MoS2由于层间作用形成的成键-反键能带都为满占据，不具备这种可以减少层间泡利排斥的带间电子转移，其摩擦系数大于金属性TMDs。本工作为低摩擦系数二维材料研究设计提供了新思路。
二维材料及其异质结中的层间轨道作用 (IOI) 是实现物性调控的关键机制，也是推动层间工程研究的重要基础。然而，先前对IOI的描述主要基于两能级框架模型（每层提供一个能级），其隐含假设是一个轨道对应一个能级，如p-d耦合模型 (下图a)。然而，在实际材料中，一个原子轨道会分布在多个能级上，这导致二维晶体中轨道作用必须考虑多能级作用。本研究以MoS2为例，揭示了其S-pz轨道通过pz–dz2–pz耦合分布于三个能级(下图b)，从而在层间形成“多对一”层间作用，即多个能级共同作用于相邻层的一个能级，如价带顶 (下图c)。本工作的多能级视角不仅有助于加深对二维材料层间作用的理解，还可以通过多能级作用更加有效地调控二维材料物性。
上述工作依托于河北省计算物理基础学科研究中心，得到了国家自然科学基金、河北大学高层次引进人才项目、河北大学科研创新团队和青年创新团队项目的资助和支持。
文章链接：
1. https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/8j2t-5wbq
2. https://doi.org/10.1063/5.0300415
