据统计,摩擦消耗了超过1/3的一次能源,而磨损导致了近80%的机械失效。因此寻求降低摩擦以减少能源消耗和延长机械的服役寿命的方法是一个亟待解决的问题。随着原子级薄二维材料的兴起,石墨烯、六方氮化硼和二硫化钼等被认为是界面润滑领域最典型、研究最广泛和最具有前途的降摩擦减磨损材料,在各种纳米摩擦调控手段中表现出巨大的潜力。这些原子级的摩擦调控手段不断地改善而推进界面润滑的发展,然而,原子层面的认识逐渐表现出不能胜任摩擦调控机理的揭露。随着研究的深入,不少零星的研究已经将润滑机理的本质指向“电子的重新分布”。因此,本研究将尝试利用第一性原理模拟,建立各种调控手段下电子密度与摩擦性能之间定性或定量的关系,以促进对摩擦调控机理的认识和甚至探索新的调控策略。1.二维层状材料在纳米尺度上的层间相互作用是原子核外的电子云的重叠,当层状材料发生层间滑动时,电子对层间相互作用的贡献是主要的,因此有望通过体系的电子重新分布来改变层间相互作用,以达到调控层间滑动摩擦的目的。利用第一原理计算发现,通过引入杂质碳原子来修饰二层六方氮化硼的电子结构,可以改善其层间滑动摩擦学性能。研究表明,能垒的变化沿滑移路径逐渐增大,最低能级的位置随法向载荷的增大保持良好的一致性。即层间相互作用的强度可以通过最低能级位置来反映,这正是不同堆垛h-BN/h-BN双层的层间滑动势能随载荷的增加而增加的原因。因此,我们的工作在理论上为原子掺杂改善二维材料的摩擦学性能提供了支撑,同时,证实了通过引起电子重新分布是改善二维结构的摩擦学性能的有效手段。2.先前大量的研究已经指出,界面滑动的相对势能和带隙调谐的性质可以追溯到微观电子结构。然而,不同堆模式下带隙、相对稳定（或相对势能）以及双层结构中的电子分布之间的内在关系尚未被揭示。利用第一性原理计算,我们的研究表明,在h-BN/h-BN双层结构中,当层间沿x轴滑动时,带隙与滑动势垒之间存在明显的负相关关系。在揭示了电子分布如何分别决定势垒和带隙的变化之后,我们得出电子在层间、层内的竞争分布机制是两者（势垒和带隙）之间的负相关的根本原因:由于周期性边界条件的限制,给定的h-BN/h-BN双层系统的电子总数是恒定的。因此,我们的工作以一种新的视角揭示了h-BN/h-BN双层的电学和摩擦学性能之间的本质关系,这将有力地促进对界面间复杂的微观相互作用的理解和研究。3.由于其中一个维度已经达到纳米级的厚度,对二维纳米材料而言,尺寸具有不容置疑的重要性。特别是二维纳米片的厚度甚至是决定其自身性能的决定性因素,如取决于层间电荷转移的层间结合强度和带隙调节。然而,无论是实验还是理论研究中,所谓的二维结构的“层间和层内”之间没有定义明确的边界,所以这两个概念仍是含糊不清的。因此,我们考虑了根据电子的分布来划定二维结构层间和层内的边界。本节结合第一性原理计算的电子密度分布,将总电子密度分布曲线上两个峰的最大值的半高宽（FWHM）定义为层内区域（即,底部原子层和顶部原子层的厚度）,而两层之间的剩余部分属于层与层相互作用区域。为了验证我们的理论方法的合理性和适用性,我们成功地利用该定义从电子分布的角度揭示了PES褶皱与E_g波动之间的负相关（h-BN/h-BN双层）和正相关（MoS₂/MoS₂双层）的物理起源。这意味着我们的定界方法对于理解这些物理问题的起源,指导上述领域的实验研究具有重要意义,如堆垛层错能、超润滑和多形体之间的转变。4.近年来,应变以其低成本、可操作性强的特点逐渐成为改善二维纳米材料（TNMs）性能的重要手段。由于微弱的层间耦合,毗邻层之间应变传递的不完全性产生二维原子层的堆垛配置的变化,形成了目前主流的观点:非公度接触[堆垛指数（RI）描述]是二维纳米材料应变效应的决定性因素。然而,据我们所知,在相邻层之间无失配的应变转移对TNMs的影响在任何文献中都没有报道。本章节中,我们结合第一性原理的计算,对相应接触的应变效应进行了全面的研究。静态能量学分析表明,在面内应变作用下,垂直分离的结合能与侧向滑动的能垒具有相反的趋势:压缩有利于侧向滑动,拉伸有利于层间的垂直分离。进一步的电子重新分布量化结果证实,层间电子密度(_ρinter-及其相对值（?ρinter-）的变化分别是垂直和横向应变效应的原因。这一新颖的理论研究不仅揭示了在没有失配的情况下应变也能有效地控制层间耦合,而且对应变工程中应变对摩擦学性能改变的关键作用提供了全新的认识。