Як можна отримати згорнутий графен?

У нещодавно опублікованому номері журналу Physical Review B американські вчені з університету міста Берклі, Каліфорнія, розповідають про те, як можна отримати згорнутий графен, а також про деякі цікаві властивості, які з’являються у таких структур.

Згорнутий у вигляді літачка аркуш паперу стрімко летить вгору. Ще кілька секунд тому нерухомо лежить на столі і ліниво падаючий до підлоги, якщо раптом хтось ненароком зіштовхне його своїм незграбним рухом. Це простий приклад того, як у макросвіті згортання надає об’єкту не лише нову форму, але і нові властивості. У наносвіті аркуш паперу чимось нагадує графен – це моноатомний шар sp2 гибридизированных вуглецевих атомів. Його модуль Юнга (характеризує здатність матеріалу чинити опір пружної деформації при розтягуванні або стисненні) високий у поздовжньому і низький в поперечному напрямку. Це означає, що лист графену так само легко розірвати в поперечному напрямку як і аркуш паперу, проткнувши його ручкою, і так само важко в поздовжньому, якщо тягнути його за край, намагаючись розірвати навпіл. Складання може призвести до появи цікавих властивостей в графені. В журналі Physical Review B американські вчені з університету міста Берклі, Каліфорнія, розповідають про те, як можна отримати згорнутий графен, а також про деякі цікаві властивості, які з’являються у таких структур.

Згорнутий графен вони назвали графолдом (grafold, від англ. Графен – графен, FOLD – згортати). В роботі були отримані найрізноманітніші структури графолда від структури з єдиною складкою до періодичних структур з кількома складками. Однак згорнути графен можна не у всіх напрямках. Це пояснюється гексогональной структурою кристалічної гратки матеріалу. На рис.1 показані лише деякі можливі варіанти. Напрямок лінії вигину визначається відносно вектора a1 – a2, де a1,a2 – звичайні трансляционые вектори кристалічної решітки графену. Якщо кут вигину θ не ділиться без залишку на 300, при складанні відбудеться відносний поворот між аркушів графену (рис.1b).

Рис. 1. Згорнутий графен. а) Графен перед згортанням. Синім кольором позначені лінії згину. b) Графолд з тришарової складкою. Верхній, середній і нижній шари показані синім, червоним і жовтим кольором відповідно. з) Випадок, коли лінії згину паралельні один одному. d)-g) Вид зверху на згорнутий в три шари графен для різних конфігурацій кутів згортання і вектора різниці трансляційних векторів кристалічної решітки графену.

Для згортання листа графена на ньому необхідно позначити лінію вигину. Це можна зробити з допомогою рельєфною підкладки для формування графена. Наприклад, мідної фольги товщиною 25 мкм. Рельєф створюється методом електронно-променевої літографії. Товщина отриманих ліній від 1 до 2 мкм. Як резиста використовують поліметилметакрилат, який після травлення розчином Na2S2O8 видаляється ацетоном.

Рис. 2. ВТМ та дифракційні зображення згорнутого графена. На малюнку f) – Дифракційні інтенсивності для трьох областей для точок А і В, а також їх суми (в області складки, інтенсивність від атомів зовнішніх шарів).

В роботі було отримано графолд з тришарової складкою (рис.1h зліва). На рис.2 представлені результати скануючої тунельної електронної мікроскопії цього зразка. На рис.2b чітко проглядається вертикальна світла смуга (місце накладення трьох шарів). Світлі крапки, безладно розташовані на зображенні, – це атоми або молекули, які або потрапили в складку або адсорбировались на місця вигинів в процес приготування зразка. На додаток до ВТМ за допомогою дифракційної мікроскопії були отримані зображення кристалічної решітки в трьох областях графолда (одношарової, тришарової і одношарової, рис. 2c,d,e відповідно). Як і очікувалося, тришарова структура графолда підтвердилася. Це видно на рис.2d, на якому синіми кружечками (лінія В) позначені атоми вуглецю внутрішнього шару, а червоними (лінія А, інтенсивність точок більше, ніж на першій і третій картинці) – атоми вуглецю зовнішніх шарів. Так як кут між лініями А і В малий і становить всього 0,4 градуса, це означає, що лінії згину майже паралельні один одному, що добре узгоджується з результатами ВТМ.

Рис. 3. Зонна структура двошарового графена в залежності від взаємного зсуву двох шарів.

Навіщо ж потрібен графолд? Насамперед учених цікавить зміна електронних властивостей графену при її згортанні. Як зміниться його провідність, які особливості зонної структури? З цією метою в роботі була досліджена зонна структура двох шарів графена в залежності від ступеня взаємного зсуву атомів кристалічної решітки (рис.3). В результаті параметрів зсуву відбувається ускладнення зонної структури, зміщуються екстремуми, в деяких випадках незначно накладання і зсунуті відносно так званої До-точки (рівноважної точки, в якій максимум валентної зони і зони провідності збігаються при відсутності зсуву).

На рис.4 показані результати чисельного моделювання графолда згорнутого під кутом 0 градусів з тришарової складкою, вільно лежить на плоскій поверхні. З малюнка видно, що отримана зонна структура дуже складна і має численні максимуми і мінімуми. На вставці видно, що крайні екстремуми відчувають слабке перекриття, що говорить про напівметалевих властивості графолда.


Рис. 4. Зонна структура вільно лежачого згорнутого в три шару графену.

Очевидно, що з графолда можна створювати періодичні структури – новий тип надграток, електронні та оптичні властивості яких ще належить вивчити. Також передбачається, що графолд можна буде використовувати в якості ідеальних інтеркаляційних платформ для інших атомів або молекул. Автори статті интеркалировали молекули фулерену в графолд. На рис. 5 – СТМ зображення впровадженого фулерену (праворуч, червона рамка) і його ескіз.


Рис. 5. а) СТМ зображення впровадженого фулерену. b) Схематичне зображення впровадженого в складку фулерену.

Результати роботи опубліковані в статті:

Kwanpyo Kim, Zonghoon Lee, Brad D. Malone, Kevin T. Chan, Benjamín Alemán, William Regan, Will Gannett, M. F. Crommie, Marvin L. Cohen and A. Zettl Multiply folded графен. – Phys. Rev. B. – 2011. – Випуск 83. – Issue 24. – P. 245433 [8 pages].

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *