Графен и графолд

В недавно опубликованном номере журнала Physical Review B американские ученые из университета города Беркли, Калифорния, рассказывают о том, как можно получить свернутый графен, а также о некоторых интересных свойствах, которые появляются у таких структур.

Свернутый в виде самолетика лист бумаги стремительно летит вверх. Еще несколько секунд назад недвижимо лежащий на столе и лениво падающий к полу, если вдруг кто-то невзначай столкнет его своим неловким движением. Это простой пример того, как в макромире сворачивание придает объекту не только новую форму, но и новые свойства. В наномире лист бумаги чем-то напоминает графен – моноатомный слой sp₂ гибридизированных углеродных атомов. Его модуль Юнга (характеризующий способность материала сопротивляться упругой деформации при растяжении или сжатии) высок в продольном и низок в поперечном направлении. Это значит, что лист графена так же легко разорвать в поперечном направлении как и лист бумаги, проткнув его ручкой, и так же трудно в продольном, если тянуть его за край, пытаясь разорвать пополам. Складывание может привести к появлению интересных свойств в графене. В журнале Physical Review B американские ученые из университета города Беркли, Калифорния, рассказывают о том, как можно получить свернутый графен, а также о некоторых интересных свойствах, которые появляются у таких структур.

Свернутый графен они назвали графолдом (grafold, от англ. GRAphene – графен, FOLD – сворачивать). В работе были получены самые разнообразные структуры графолда от структуры с единственной складкой до периодических структур с несколькими складками. Однако свернуть графен можно не во всех направлениях. Это объясняется гексогональной структурой кристаллической решетки материала. На рис.1 показаны лишь некоторые возможные варианты. Направление линии изгиба определяется относительно вектора a1 – a2, где a1,a2 – обычные трансляционые векторы кристаллической решетки графена. Если угол изгиба θ не делится без остатка на 300, при складывании произойдет относительный поворот между листов графена (рис.1b).

Рис. 1. Свернутый графен. а) Графен перед сворачиванием. Синим цветом обозначены линии сгиба. b) Графолд с трехслойной складкой. Верхний, средний и нижний слои показаны синим, красным и желтым цветом соответственно. с) Случай, когда линии изгиба параллельны друг другу. d)-g) Вид сверху на свернутый в три слоя графен для различных конфигураций углов сворачивания и вектора разности трансляционных векторов кристаллической решетки графена.

Для сворачивания листа графена на нем необходимо обозначить линию изгиба. Это можно сделать с помощью рельефной подложки для формирования графена. Например, медной фольги толщиной 25 мкм. Рельеф создается методом электронно-лучевой литографии. Толщина получаемых линий от 1 до 2 мкм. В качестве резиста используют полиметилметакрилат, который после травления раствором Na₂S₂O₈ удаляется ацетоном.

Рис. 2. СТМ и дифракционные изображения свернутого графена. На рисунке f) – Дифракционные интенсивности для трех областей для А и В точек, а такде их суммы (в области складки, интенсивность от атомов внешних слоев).

В работе был получен графолд с трехслойной складкой (рис.1h слева). На рис.2 представлены результаты сканирующей туннельной электронной микроскопии этого образца. На рис.2b отчетливо просматривается вертикальная светлая полоса (место наложения трех слоев). Светлые точки, беспорядочно расположенные на изображении, – это атомы или молекулы, которые или попали в складку, или адсорбировались на места изгибов в процесс приготовления образца. В дополнение к СТМ с помощью дифракционной микроскопии были получены изображения кристаллической решетки в трех областях графолда (однослойной, трехслойной и однослойной, рис. 2c,d,e соответственно). Как и ожидалось, трехслойная структура графолда подтвердилась. Это видно на рис.2d, на котором синими кружочками (линия В) обозначены атомы углерода внутреннего слоя, а красными (линия А, интенсивность точек больше, чем на первой и третьей картинке) – атомы углерода внешних слоев. Так как угол между линиями А и В мал и составляет всего 0,4 градуса, это значит, что линии изгиба почти параллельны друг другу, что хорошо согласуется с результатами СТМ.

Рис. 3. Зонная структура двухслойного графена в зависимости от взаимного сдвига двух слоев.

Рис. 4. Зонная структура свободно лежащего свернутого в три слоя графена.

Очевидно, что из графолда можно создавать периодические структуры – новый тип сверхрешеток, электронные и оптические свойства которых еще предстоит изучить. Также предполагается, что графолд можно будет использовать в качестве идеальных интеркаляционных платформ для других атомов или молекул. Авторы статьи интеркалировали молекулы фуллерена в графолд. На рис. 5 – СТМ изображение внедренного фуллерена (справа, красная рамка) и его эскиз.

Рис. 5. а) СТМ изображение внедренного фуллерена. b) Схематическое изображение внедренного в складку фуллерена.

Результаты работы опубликованы в статье:

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 graphene. – Phys. Rev. B. – 2011. – Volume 83. – Issue 24. – P. 245433 [8 pages].

Источник(и):

1. nanometer.ru