层间结合强度（包括结合力与结合能）是二维材料非常重要的物理性质。二维材料层间的范德华相互作用是一种非键相互作用，这种相对化学键而言更弱的相互作用使得二维材料之间可以任意堆叠而无需层间匹配晶格，容易形成二维材料范德华异质结与摩尔纹（Moiré-Pattern）等超结构，同时带来许多新奇的物理性质。层间结合力表征了二维材料剥离的难易程度，但长期以来，学术界都偏向于利用层间结合能来表征二维材料剥离的难易程度。
刘维民院士和齐卫宏教授认为，在势能-层间距曲线上，结合能对应于势能曲线的势阱深度，而结合力则对于势能曲线变化的拐点（相当于势能曲线二阶导数为零），层间结合力与结合能变化趋势并不相同，一些二维材料的层间结合力大但结合能小，而另一些二维材料则结合力小但结合能大。二维材料的层间结合力直接与材料的剥离力相对应，而不是结合能。基于这个思路，研究团队通过自己设计的下降算法调用第一性原理计算程序（VASP）进行了高通量计算，得到了230种常见二维材料的层间结合能和结合力数据，计算结果显示二维材料的层间结合能与结合力的趋势确实不完全一致（即结合能高不代表结合力大）。研究人员还设计了实验检验了理论预测的准确性。针对三种二维材料：石墨烯、六方氮化硼与硒化铟，通过一种独特的组装方法把二维材料附着到自制的硅球探针上，并使用这些探针在原子力显微镜下进行了高精度层间结合力测试，测试结果与计算预测完全一致，即：𝐹石墨烯>𝐹氮化硼>𝐹硒化铟。这就从理论和实验上证明了只有层间结合力才能准确表征二维材料剥离的难易程度。该研究成果有助于深刻理解二维材料层间范德华相互作用，并为深入研究二维材料层间超润滑打下基础。
相关研究成果以“High-Throughput Calculation of Interlayer van der Waals Forces Validated with Experimental Measurements”为题发表在一区top期刊《Research》上，该刊是《Science》自1880年创刊以来的第一本合作期刊，在《Science》平台上运营。论文第一作者为博士生汤可为，通讯作者为刘维民院士和齐卫宏教授，论文的第一单位是凝固技术国家重点实验室。
该工作获得国家自然科学基金（52072308）和中央高校基本科研业务费（3102021MS0404; 3102019JC001）的资助，西北工业大学分析测试中心和陕西省材料分析测试中心提供了设备支持。
文献信息： https://spj.sciencemag.org/journals/research/2022/9765121/
图1. 二维材料层间结合能和结合力示意图
图2. 230种二维材料的高通量计算结果。 (a) 下降算法流程图；(b) 下降算法演示；(c) 结合能与结合力；(d) 计算的部分材料与RPA计算结果比较；(e) 使用两种泛函计算的结果比较。
图3. AFM层间结合力测定结果。(a) 二维材料包覆探针制作方法；(b) 石墨烯探针SEM照片；(c) 石墨烯典型8x8采点测定结果；(d) 石墨烯、六方氮化硼和硒化铟的典型力-位移曲线；(e) 石墨烯测定结果统计；(f) 六方氮化硼测定结果统计；(g) 硒化铟测定结果统计。