微系统集成传感、通信、处理、执行和微能源等多种功能单元，被认为是21世纪的革命性技术之一。伴随着技术进步与人型机器人、无人机、6G通讯技术等新兴产业的涌现，微系统需实现更低功耗与更长寿命（甚至是全寿命）。面对这些需求，基于半导体和MEMS的传统微系统存在技术瓶颈，而具有极低摩擦和磨损特性的超滑技术为此提供了新机遇。
超滑微系统定义为集成了多种功能及超滑组件的微小型系统。结构超滑是指两个接触固体表面间相对滑移时零磨损和近零摩擦的状态，这一具有原理性创新的根技术是实现超滑微系统的关键途径 [1]。自2002以来，郑泉水团队致力于探索结构超滑原理，发展超滑发电机、超滑微电机、超滑射频开关等超滑微系统技术。微系统在执行功能时受到载荷、环境等条件约束，因此结构超滑状态的稳健性是一个值得关注的问题。
图1 超滑微系统
郑泉水院士团队在国家自然科学基金委员会等资助下探索结构超滑状态的稳定性、长寿命边界，在多种材料、结构体系及超高速运动、高载流密度条件下实现结构超滑 [2-5]。在近日发表于Nano Letters期刊的论文 [6] 中，该团队构建了移动Schottky接触，实现了界面性能的在线力学调控，展示了结构超滑直流发电器件的出色性能与稳健特性。论文的第一作者为浙江大学、清华大学联合培养博士生于昭宽，通讯作者为清华大学郑泉水、徐志平教授。
在微系统领域中，“接触工程”（Contact Engineering）可显著提升电子器件的性能和功能，但通常伴随着高成本及复杂制造过程。从“器件上工程”（On-Device Engineering）这一全新的角度出发，本研究开发了一种原位、可逆、全器件尺度的可重构Van der Waals接触，采用具有结构超滑特性的石墨-MoS2界面，成功构建了p型Schottky接触，其理想因子和关态电流创下性能新高。通过压力控制，可进一步切换界面电子输运机制，激活器件功能、提升器件性能。
图2 移动Schottky接触及其“器件上”力学调控
在传统的金属-半导体Schottky接触中，界面性能与Fermi能级钉扎效应常因界面态的作用产生相互竞争，而通过力学载荷对Van der Waals接触的电子耦合强度进行调控则避免了该矛盾。当载荷超过压力阈值时，可实现界面电子输运从隧穿到漂移的机制转变，表现出接近1的理想因子和低至10-11 A的关态电流等优异特性，充分展示出力学调控在器件性能优化中的潜力。
利用该Van der Waals接触建立的滑动Schottky发电器件将微弱、随机的机械刺激高效转化为直流电能，其50%的转换效率远超传统的摩擦电与压电发电技术。无磨损、极低摩擦的结构超滑技术最大限度减少了摩擦引起的能量损耗，保障了超过120,000次循环的稳定运行，且可负载高达31 A/m2的电流密度。
本项研究提出的移动Schottky接触概念和“器件上”力学调控技术为低能耗、高耐用性机械电子设备的设计及其在机械感应、类脑计算等领域中的微系统应用开辟了新的可能性。
为进一步推动结构超滑领域的发展，郑泉水团队将于2025年1月20日至22日在深圳举办第三届结构超润滑国际会议（SSL2025）[7]，汇集国内外力学、物理学、材料科学、电子学等领域科学家，就近期结构超滑科学和技术进展进行探讨，凝练未解决的关键科学问题，促进跨学科交流和合作，构建研究人员和行业专家之间的互动平台。欢迎相关领域学者与业内专家报名参会，共同推动结构超滑科学技术研究及其在多学科、多应用场景下的交叉融合发展。
[1] 《凝练科学问题案例》，案例一，科学出版社，2023
[2] Huang et al., Nature Communications 14, 2931, 2023
https://www.nature.com/articles/s41467-023-38680-6
[3] Peng et al., National Science Review 9, nwab109, 2022
https://academic.oup.com/nsr/article/9/1/nwab109/6308838
[4] Sun et al., Nature Communications 15, 5952, 2024
https://www.nature.com/articles/s41467-024-49914-6
[5] Wu et al., Physical Review Letters 132, 096201, 2024,
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.096201
[6] Yu et al., Nano Letters, ASAP
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c03084
[7] 第3届结构超润滑国际会议 (SSL 2025)，
http://www.frictionx.com/forum/ssl2025.html
