Get best of the week

أنا ألتوي ولوي ، أريد أن أربك: التلاعب مع الجرافين من طبقتين



في عام 2004 ، تعرّف المجتمع العلمي لأول مرة على الجرافين في شكله المادي. على مدى عقود عديدة ، كانت هناك العديد من النظريات حول هذه المادة المدهشة. منذ استلام الجرافين الحقيقي ، تعلمنا الكثير عنه ، ولكن ليس كل شيء. قرر علماء من جامعة إلينوي في أوربانا شامبين (الولايات المتحدة الأمريكية) إجراء تجارب غير عادية مع لوحات الجرافين. أوضحت الدراسة أن أبعاد ألواح الجرافين ودرجة الحرارة المحيطة تؤثر بشكل مباشر على استقرار الهيكل ، والذي يمكن استخدامه للحصول على هيكل شكل معين ، وبالتالي تغيير خصائصه. كيف تم إجراء التجارب بالضبط ، وما هي البيانات الجديدة التي تم الحصول عليها من الجرافين ثنائي الطبقات ، وكيف يتم تطبيق المعرفة؟ نتعلم عن هذا من تقرير العلماء. اذهب.

أساس الدراسة


كهدف للدراسة ، أصبح ليس الجرافين فقط ، ولكن إصداره المكون من طبقتين. كما يوحي الاسم ، يتكون هذا الهيكل من لوحين من الجرافين متجاورين بإحكام مع بعضهما البعض ، وتبلغ المسافة بينهما حوالي 1 نانومتر. كقاعدة عامة ، في الجرافين ثنائي الطبقات ، يتم تدوير اللوحة السفلية 60 درجة بالنسبة للجزء العلوي ، ونتيجة لذلك تتم محاذاة الشريحة الفرعية A في اللوحة السفلية والشريحة الفرعية B في الجزء العلوي رأسيًا (التكوين AB).


أمثلة على تكوينات لوحة AA و AB في الجرافين ثنائي الطبقة ( المصدر ).

هذا الإصدار من هيكل ثنائي الأبعاد يعتمد على الجرافين بعيد عن الشكل الوحيد. لذلك ، وفقًا لمثال العلماء ، هناك طريقة لعزل الجرافين بالجرافيت ، مما يؤدي إلى بنية جديدة تمامًا في الخصائص. ولكن يمكنك تغيير الخصائص ليس فقط عن طريق تغيير العناصر المكونة ، ولكن أيضًا عن طريق تغيير موقعها.

أكد الانعراج من المنطقة المختارة والمجهر المظلمة في وقت واحد وجود مناطق مستديرة في ألواح الجرافين ثنائية الطبقة التي تم إنشاؤها بواسطة ترسيب البخار الكيميائي.

يمكن أن يظهر الجرافين ثنائي الطبقات المدرفل مجموعة واسعة من الخصائص غير العادية ، بما في ذلك الموصلية الفائقة والمغناطيسية الحديدية وحتى زيادة التشحيم. كل هذه القدرات ترجع إلى التغيرات في الاتصال بين الطبقات بسبب زاوية الدوران. معلمة مهمة تحدد اقتران الطبقة البينية هي فترة خلية الوحدة ، المسماة moiré superlattice ، والتي تتغير بقوة مع تغييرات صغيرة في زاوية الدوران.

يمكن أن تخضع دراسة احتكاك رقائق الجرافيت المدورة (أجزاء اللوحة) على أسطح الجرافيت للانزلاق السلس (زيادة التشحيم) ، يليه التوقف المفاجئ للانزلاق المرتبط بتدوير عنصر الجرافين إلى عبوته AB المتناسبة. لاحظنا أيضًا انتقالًا من ترتيب متناسب (مع تكوين AB) إلى ترتيب غير متناسب (مستدير) لرقائق الجرافين مع انزلاق لاحق.

أظهرت الدراسات الجزيئية وجود حواجز طاقة محتملة لفك رقائق الجرافين ، ولكن لم تتم دراسة أصل هذه الحواجز فيما يتعلق بحجم الرقائق وثباتها الحراري.

في الدراسة التي ندرسها اليوم ، أظهر العلماء أن تأثيرات الحواف النهائية الناتجة عن اقتطاع الهياكل التمريرية الدورية تخلق العديد من حواجز الطاقة المحتملة لفك لوحة الجرافين عند زوايا دوران معينة. يتناسب عدد وحجم حواجز الطاقة مع حجم الرقائق ويؤدي إلى استقرار حراري يعتمد على الحجم في حالات الدوران.

النمذجة


تمت دراسة الاستقرار الدوراني للجرافين ثنائي الطبقات الملتوي باستخدام نمذجة الديناميكيات الجزيئية واسعة النطاق على أساس برنامج LAMMPS . تم إنشاء تراكيب نموذجية من الجرافين الملتوي المكون من طبقتين بحجم معين عن طريق تدوير رقائق الجرافين في تكوين AB على ورقة الجرافين التي لا نهاية لها المعلقة بحرية بزاوية توجيه خاطئة أولية * θ = 7.34 ° نسبة إلى المحور خارج المستوى ( 1 أ ).
سوء التوجيه * - الفرق في الاتجاه البلوري بين بلوريتين في مادة متعددة البلورات.


صورة رقم 1 A

تراكب اثنين من حواجز شبكية الجرافين استدارة في هذه الزاوية يخلق أنماط تموج في النسيج مع دورية L ص = 1.9 نانومتر ( 1B ). تتكون كل خلية تموجية للوحدات من ذرات ذات تكوينات مختلفة عديدة - AB و AA و BA و SP ( 1 ).
نمط Moire * - نمط تم الحصول عليه من خلال التراكب على نمطين شبكيين دوريين.
تم قطع رقائق الجرافين (اللوحة العلوية) لتناسب حجم خلية وحدة التموج. هذا يعني أن رقاقة الجرافين لها فترة تموج واحدة بالضبط عند θ = 7.34 درجة وتسمى L1xL1.

علاوة على ذلك ، تم نسخ خلية الوحدة هذه 2 و 4 و 6 و 32 مرة في اتجاهات مستوية للحصول على رقائق الجرافين L2xL2 و L4xL4 و L6xL6 و L32xL32 بأبعاد الحافة المعينية 3.8 و 7.6 و 11.4 و 61.4 نانومتر ، على التوالي.

في النموذج الذي تم الحصول عليه من الجرافين ثنائي الطبقة ، يتم وصف روابط CC داخل الطائرة (الروابط التساهمية بين ذرات الكربون) من خلال نموذج الرابطة التجريبية التفاعلية (REBO) ، ويتم تمثيل التفاعلات بين الطبقات غير المقيدة من خلال إمكانات Kolmogorov-Crespi ، والتي تعكس بشكل صحيح حجم وتباين الطاقة الكامنة لسطح الطبقة البينية.

تم أيضًا حساب طاقة خطأ التعبئة * (SFE) للجرافين ثنائي الطبقة في تكوين AB.
عيب التعبئة * - انتهاك التسلسل الطبيعي لتعبئة الطائرات الذرية في هيكل بلوري مغلق.
تختلف قيم SFE التي تم الحصول عليها تقريبًا 2٪ عن تلك التي تم الحصول عليها في الحسابات بناءً على نظرية دالة الكثافة (DFT) باستخدام تقريب الكثافة المحلية ، بالإضافة إلى حسابات DFT التي تأخذ في الاعتبار تفاعلات Van der Waals.

نتائج البحث


تمت موازنة رقائق الجرافين المدورة حرارياً عند درجات حرارة تتراوح من 300 إلى 3000 كلفن باستخدام منظم الحرارة Berendsen لمدة 1 ns ثم ترموستات Nose-Hoover لمدة 3 ns (الخطوة الزمنية الثابتة 1 fs).


شكل 2: توضح

الرسوم البيانية 2 أ - 2 د التغير في زاوية دوران رقاقة الجرافين L4xL4 خلال فترة توازن واحدة (4 نانوثانية) عند درجات حرارة مختلفة. عند 300 K ، تدور رقاقة الجرافين من زاويتها الأولية θ = 7.34 ° إلى θ = ∼8 ° ( 2a ). ومع ذلك ، عند 600 K ، تدور رقاقة الجرافين بالفعل في الاتجاه المعاكس إلى θ = ∼6.4 درجة ( 2 ب) تؤدي درجة الحرارة الأعلى التي تساوي 640 كلفن إلى تغيير تدريجي في زاوية التكرار: أولاً من θ = 7.34 درجة إلى 6.4 درجة عند 0.25 نانو ثانية ، ثم إلى = 4.5 درجة عند 0.5 نانو ثانية وإلى = 2.6 درجة عند 2.25 نانو ثانية ( 2 ج ).

مع زيادة طفيفة في درجة الحرارة إلى 650 كلفن ، تتراجع رقاقة الجرافين على الفور ، وتستعيد التكوين الأصلي AB عند θ = 0 ° ( 2d ). هذه التحولات الانتقالية المميزة لرقائق الجرافين مصحوبة بتغييرات في نمط التموج وتواترها ( 2 جم ).

ميزة غريبة لهذه التغييرات تحول هي اعتمادها على حجم رقائق. لذلك ، بالنسبة لرقائق الجرافين الأصغر حجمًا L1xL1 ، فإن التراجع الفوري عن تكوين AB المستقر (θ = 0 °) يحدث بالفعل عند 300 K ( 2) لكن رقاقة الجرافين الكبيرة L32xL32 تُظهر تغييرات طفيفة في θ حتى عند درجات حرارة 1000 كلفن ( 2f ).

ثم قام العلماء بحساب إجمالي الطاقة الكامنة E t θ نسبة إلى الحد الأدنى العالمي من الطاقة E t AB عند فك قيود رقائق الجرافين المختلفة.


الصورة رقم 3

لوحظ وجود العديد من حواجز الطاقة والحد الأدنى المحلي من الطاقات المحتملة عندما يتم التخلص من رقائق الجرافين من θ = ∼8 ° للوصول إلى حالة غير مدورة ، وهو الحد الأدنى العالمي عند θ = 0 °. تؤدي الزيادة في حجم الرقائق إلى زيادة عدد حواجز الطاقة المحتملة للفك ، وكذلك حجم حواجز الطاقة هذه.

أصغر رقائق الجرافين L1xL1 لديها حد أدنى محلي واحد عند θ = ∼8 درجة مع طاقة حاجز منخفضة تبلغ 0.052 eV ( 3a ) ، والتي يتم تفسيرها من خلال التفريغ التلقائي في درجة حرارة الغرفة ( 2e ). بالنسبة لصفيحة الجرافين L2xL2 ، يوجد حاليًا حدان صغيران محليان يتطوران عند 8.51 درجة و 5.81 درجة مع طاقات حاجزة تبلغ 0.17 و 0.31 فولت ، على التوالي ( 3 ب ).

بالنسبة للوحة الجرافين L4xL4 ، تمت ملاحظة أربع زوايا دوران مستقرة محليًا ( 3 ث ) ، تقابل أربع حالات انتقالية عند 2 أ - 2 د. الحالة الأولية عند θ = 7.34 ° غير مواتية بشكل كبير ، لأنها بالقرب من الذروة المحلية ، ونتيجة لذلك يدور رقاقة الجرافين الأخرى θ = 0.74 ° إلى الحد الأدنى المحلي θ = 8.08 ° ( 2a ). تحتوي رقاقة الجرافين على طاقة حرارية كافية للتغلب على كل من حاجز الطاقة الأول (E b = 0.36 eV) عند 600 كلفن وجميع الحواجز اللاحقة باستثناء حاجز الطاقة النهائي (E b = 0.74 eV) عند 640 كلفن درجات حرارة أعلى قليلاً (650 كلفن) ) تسمح لك بعبور حاجز الطاقة النهائي لتحقيق تكوين AB.

بالنسبة لرقائق الجرافين الكبيرة L32xL32 ، تمت ملاحظة 32 حاجزًا (كل منها تقريبًا في E b= 3 ... 6 eV) المقابلة لـ 32 شبكة فائضة تموج تموجية أولية على طول كل اتجاه ( 3d )

تضمن حواجز الطاقة العديدة استقرار دوران رقاقة الجرافين L32xL32 حتى في درجات الحرارة العالية (3000 كلفن) ، والتي يمكن مقارنتها بدرجات الحرارة أثناء نمو الجرافين عن طريق ترسيب البخار الكيميائي.

باستخدام معادلة Arrhenius * ، يمكن التعبير عن معدل الانتقال من حالة دوران واحدة (θ 1 ) إلى أخرى (θ 2 ) على النحو k θ 1 → θ 2 = Ae - E b / k B T ، حيث k B هو ثابت بولتزمان *.
* k T.

* (k) . k = 1380649 10-23 /.
وهكذا ، تم الحصول على حواجز الطاقة الكامنة E b1 لخمسة رقائق غرافين ذات حجم متزايد في الحالة المستقرة الأولى (θ 1 ) بالقرب من زاوية اللف الأولية 7.3 = 7.34 °.

بعد ذلك ، تم زيادة درجة الحرارة تدريجيًا للحصول على قيمة درجة حرارة التنشيط (T) التي تتقاطع عندها رقاقة الجرافين مع E b 1 و untwists في حالة مستقرة مجاورة (θ 2 ).

لاحظ العلماء أن زيادة حجم الرقائق يزيد بشكل كبير من E b1 ويؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة التنشيط T للحالة الأولى للفك. بسبب ارتفاع E b1يساوي 3.93 eV لأكبر رقاقة غرافين L32xL32 ، نحن لا نلاحظ دوران الغزل الجرافين حتى عند درجة حرارة 3000

كلفن. L32xL32 للمقارنة.

ونتيجة لذلك ، فإن عملية التحلل السلس لـ E t θ - E t AB (أي بدون حواجز الطاقة) مع تفكيك شبكات فائقة التموج دوريًا ( 3d)) ومع ذلك ، في رقائق الجرافين المستديرة ، "يتم قطع" شبكات تموج فائقة بالقرب من الحواف ، مما يؤدي في النهاية إلى تقلبات دورية في الطاقة الكامنة أثناء الفك. بعد ذلك ، تم إجراء تحديد كمي لهذه الدورية غير المكتملة للشبكات الفائقة المموجة على الحواف r ، مثل ما تبقى من حجم رقائق L خلال فترة التمرير L p (θ).

تشير زوايا الدوران التي يتغير فيها r / L p بشكل حاد من 1 إلى 0 إلى الهيكل التمويري المطوّر بالكامل (غير المقتطع) لرقائق الجرافين ، على غرار الجرافين ثنائي الطبقات المستدير بالكامل.

أثناء الفك ، يتقاطع كل رقاقة من الجرافين مع العديد من الحدود الدنيا المحلية لمستويات الطاقة التي تساوي العدد الأولي لفترات التموج (4 لـ L4xL4 ؛ 32 لـ L32xL32 ، وما إلى ذلك).


الصورة رقم 4

في 4 أ و 4 ب ، يُلاحظ أن الطاقات المحتملة لكل ذرة لكل من الجرافين الدوامي E θ والجرافين المكون من ABAB ، تكون قيمة EAB أعلى بكثير عند الحواف بسبب الانقسام غير المتماثل لروابط الكربون. للقضاء على هذا التأثير الحافة ، تقرر اتخاذ E θ - E AB كمقياس للتغير المحلي في الطاقات ( 4 ج ). لذلك ، فإن الذرات في التكوين AB موجودة بالفعل في التكوين الأدنى العالمي ولها E θ- E AB = 0 ، أي عدم تطابق. تكون الذرات في تكوين مكتبة الإسكندرية أيضًا في الحد الأدنى العام للتكوين. ومع ذلك ، فإن هذه الذرات لديها أقصى عدم تطابق ، حيث أن لها مكدسات ذرية متناقضة مقارنة بـ AB (أخطاء التراص) ، كما يتضح من الاختلافات القصوى في الطاقات الذرية (E θ - E AB = 13 meV).

وبالتالي ، فإن حجم الطاقة الكامنة الزائدة لكل ذرة مقارنة بالطاقة في حالتها غير الدورية (| E θ - E AB |) هو مقياس كمي لدرجة عدم تطابق الذرة. من هذا الاستنتاج ، يمكننا تصنيف الذرات بناءً على النطاق | E θ - E AB | (4 د ): AB (0-2.2 meV) ؛ AA (2.2-3.7 meV و10-11.5 meV) ؛ SP (3.7–10 meV) و BA (11.5–13 meV).


الصورة رقم 5

تظهر الصور أعلاه حواف عدم تطابق ذرات رقاقة الجرافين L4xL4 في زوايا دوران تتوافق مع الحد الأدنى المحلي ومستويات طاقة السرج على طول مسار الحد الأدنى من الطاقة الكامنة لمدة 3 ثوان . يمكن الآن أن تتطور أنماط التموج الدورية بالكامل ( 5 أ ) عند نقاط السرج ، نظرًا لأن حجم الرقائق L يتناسب مع فترة التموج L p . ونتيجة لذلك ، تصبح الطاقة الحاجزة للانزلاق بين الواجهات منخفضة جدًا ، نظرًا لأن تكوينات الذرات في الهندسة الدورية مستقلة عن الحركة الانتقالية لرقائق الجرافين بالنسبة إلى الركيزة.

في المقابل ، عند زوايا الدوران المقابلة للحد الأدنى المحلي ، تصبح الطاقات L و Lp غير متناسبة وتميل إلى تقليل إجمالي الطاقة الكامنة ، مما يساهم في تكوين AB بدلاً من AA ( 5b ). وبالتالي ، يمكن أن تؤدي التحولات الشبكية الصغيرة من هذا التكوين المصغر للطاقة إلى تغييرات كبيرة في تسلسل التراص لفترة تموج تموج غير كاملة عند الحواف ، مما سيؤدي إلى طاقات حاجز عالية لكل من الدوران والانزلاق بين الوجوه.

للحصول على معرفة أكثر تفصيلاً بالفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصيك بالنظر في تقرير العلماء .

الخاتمة


الاستنتاج الرئيسي لهذه الدراسة هو أن آثار الحواف النهائية الناتجة عن تقليم نمط التموج تتحكم في مقاومة دوران المواد الملتوية ثنائية الأبعاد الملتوية. على وجه الخصوص ، يخلق التغير المتغير في تموج التموج أثناء تفكيك المواد المكونة من طبقتين العديد من الحواجز للطاقة المحتملة بسبب الدرجة المتغيرة مكانيًا من التوافق في تكوين الذرات. تشرح هذه الآثار الحدودية الآليات الكامنة وراء التحولات الدورانية لهذه الهياكل ، وكذلك اعتماد هذه التحولات على أحجام الهياكل المستخدمة وعلى درجة الحرارة.

خلاصة القول هي أن الجرافين المدور يسعى دائمًا للعودة إلى حالته الأصلية ، لأنه هو الحالة الأكثر استقرارًا وموضع الذرات. ومع ذلك ، في ظل ظروف معينة ، يتم الحفاظ على الاستقرار حتى في وجود دوران الهيكل. العامل الرئيسي في وجود هذا الاستقرار هو زوايا الدوران ، وكذلك درجات الحرارة المختلفة ، مما يسمح لهيكل الجرافين بالانتقال من حالة مستقرة إلى أخرى.

في الجرافين ثنائي الطبقات ، لا ترتبط الطبقات التي يتكون منها هيكلها بإحكام ببعضها البعض. تسمح لك هذه الميزة ، وفقًا للباحثين ، بتفسير خصائص الهيكل اعتمادًا على الظروف. بتحديد شروط معينة ، يمكنك الحصول على نفس الهيكل ، ولكن بخصائص مختلفة. لذلك ، يتوسع نطاق تطبيقات مثل هذا الهيكل دون الحاجة إلى تغييره جذريًا.

شكرا لكم على اهتمامكم ، ابقوا فضوليين وأتمنى لكم عطلة نهاية أسبوع رائعة يا رفاق! :)

القليل من الدعاية :)


أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية لأصدقائك ، VPS السحابي للمطورين من $ 4.99 ، وهو نظير فريد من نوعه لخوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة عن VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 نوى) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps من $ 19 أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا و 40 جيجابايت DDR4).

Dell R730xd أرخص مرتين في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ فقط لدينا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV من 199 دولارًا في هولندا!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 جيجا هرتز 6C 128 جيجا بايت DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - من 99 دولار! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الفئة c باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟

More articles:


All Articles