 Международная группа ученых сообщила о прорыве в усилиях по неинвазивному способу охарактеризования свойств графена, а также получении информацию об его реакции на структурную деформацию.
Используя спектроскопию комбинационного рассеяния и статистический анализ, группе удалось взять наноразмерные измерения нагрузки, присутствующей в каждом пикселе на поверхности материала. Исследователи также получили вид химических свойств поверхности графена с высоким разрешением. Результаты потенциально могут позволить ученым быстро и точно контролировать уровни напряжения при фабрикации графена. Это в свою очередь может помочь предотвратить образование дефектов, вызванных нагрузкой.
Ученые уже знали, что спектроскопия комбинационного рассеяния может получить неявную информацию о деформации в графене. Теперь они явно показали, как можно сопоставить напряжение и собирать информацию об его эффектах.
Кроме того, с помощью статистического анализа, они показали, как можно больше узнать о распределении деформации внутри каждого пикселя, как быстро меняются уровни напряжения меняются и как этот эффект влияет на электронные и упругие свойства графена.
Графен представляет собой самый тонкий материал, известный науке, и один из наиболее прочных. Сделанный из листа углерода толщиной в один атом, графен был первым двумерным материалом, когда-либо обнаруженным. По весу он в 150-200 раз сильнее, чем сталь. Он также является гибким, плотным, практически прозрачным и превосходным проводником тепла и электричества.
В 2010 году Андре Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию по физике за новаторские эксперименты с графеном. Используя обычную клейкую ленту, два британских физика сумели отшелушить слои графена из графита - задача не из легких, учитывая, что 1 мм графита состоит из 3 млн слоев графена.
В течение десяти лет после того, как Гейм и Новоселов стали публиковать результаты своих исследований по графену, материал нашел свой путь в нескольких приложениях, начиная от теннисных ракеток до сенсорных экранов смартфона. В 2013 году рынок графена в США был оценен в $12 млн.
Несколько препятствий остаются для дальнейшей коммерциализации графена. Одним из них является наличие дефектов, которые налагают нагрузку на структуру решетки графена и негативно влияют на его электронные и оптические свойства. В связи с этим возникает трудность в производстве высококачественного графена при низкой стоимости и в больших количествах.
Слой графена обычно изготавливают на подложке диоксида кремния в процессе, называемом химическом осаждением из паровой фазы. Материал может быть напряжен загрязнением, которое происходит в процессе, или по той причине, что графен и подложка имеют различные коэффициенты термического расширения и, таким образом охлаждаются и уменьшаются с разной скоростью.
Для определения свойств графена, ученые использовала спектроскопию комбинационного рассеяния - мощный метод, который собирает свет, рассеянный от поверхности материала. Исследователи также применили магнитное поле, чтобы получить дополнительную информацию о графене. Магнитное поле управляет поведением электронов в графене, что делает возможным более ясно увидеть последствия спектроскопии комбинационного рассеяния.
Сигнал комбинационного рассеяния света представляет собой' отпечаток свойств графена. Исследователи пытаются понять влияние магнитного поля на сигнал комбинационного рассеяния. Они варьировали магнитное поле и заметили, что каждая линия комбинационного рассеяния в графене изменилась в ответ на эти вариации.
Типичное пространственное разрешение «карты комбинационного рассеяния» графена составляет около 500 нанометров. Эта резолюция дает возможность измерить изменения в деформации по шкале микрометра и определить среднюю величину деформации, наложенной на графен.
Однако, выполняя статистический анализ комбинационного сигнала, исследователи сообщили, что они смогли измерить напряжение на каждом пикселе и составить карту нагрузок и изменения в деформации – по одному пикселю за один раз. Учение произвели свои образцы графена с помощью химического осаждения паров.
|
