Get best of the week

Saya memutar dan memutar, saya ingin membingungkan: manipulasi dengan graphene dua lapisan



Pada tahun 2004, komunitas ilmiah pertama kali berkenalan dengan graphene dalam bentuk fisiknya. Selama beberapa dekade, ada banyak teori tentang materi yang luar biasa ini. Sejak diterimanya graphene nyata, kami telah belajar banyak tentang hal itu, tetapi tidak semua. Para ilmuwan dari Universitas Illinois di Urbana-Champaign (AS) memutuskan untuk melakukan eksperimen yang agak tidak biasa dengan pelat graphene. Studi ini menunjukkan bahwa dimensi pelat graphene dan suhu sekitar secara langsung mempengaruhi stabilitas struktur, yang dapat digunakan untuk memperoleh struktur dengan bentuk tertentu, sehingga mengubah sifat-sifatnya. Bagaimana tepatnya eksperimen dilakukan, data baru apa saja tentang bilayer graphene diperoleh, dan bagaimana mempraktikkan pengetahuan? Kami belajar tentang ini dari laporan para ilmuwan. Pergilah.

Dasar studi


Sebagai objek penelitian, ia tidak hanya menjadi graphene, tetapi juga versi dua-lapisannya. Sesuai namanya, struktur seperti itu terdiri dari dua lempengan graphene yang saling berdekatan, jaraknya sekitar 1 nm. Sebagai aturan, dalam graphene dua-lapisan, pelat bawah diputar 60 derajat relatif ke atas, karena subkisi A di pelat bawah dan subkisi B di atas disejajarkan secara vertikal (konfigurasi AB).


Contoh konfigurasi pelat AA dan AB dalam beneer graphene ( sumber ).

Versi struktur dua dimensi yang didasarkan pada graphene ini jauh dari satu-satunya. Jadi, menurut contoh para ilmuwan, ada metode mengisolasi graphene dengan grafit, yang menghasilkan struktur properti yang sama sekali baru. Tetapi Anda dapat mengubah karakteristik tidak hanya dengan mengubah elemen penyusunnya, tetapi juga dengan mengubah lokasinya.

Difraksi dari daerah yang dipilih dan mikroskop lapangan gelap pada suatu waktu mengkonfirmasi keberadaan daerah yang diputar dalam pelat graphene bilayer yang dibuat oleh deposisi uap kimia.

Rolled bilayer graphene dapat menunjukkan berbagai sifat yang tidak biasa, termasuk superkonduktivitas, feromagnetisme, dan bahkan peningkatan pelumasan. Semua kemampuan ini disebabkan oleh perubahan dalam komunikasi interlayer karena sudut rotasi. Parameter penting yang menentukan sambungan interlayer adalah periode sel satuan, yang disebut superlattice moiré, yang berubah dengan kuat dengan perubahan kecil dalam sudut rotasi.

Studi tentang gesekan serpihan grafit yang diputar (bagian pelat) pada permukaan grafit dapat mengalami perosotan halus (peningkatan pelumasan), diikuti dengan penghentian geser mendadak terkait dengan rotasi elemen graphene kembali ke pengemasan AB-nya yang sepadan. Kami juga mengamati transisi dari sepadan (dengan konfigurasi AB) ke pengaturan serpihan graphene yang tidak proporsional (diputar) dengan geser berikutnya.

Studi molekuler telah menunjukkan adanya hambatan energi potensial untuk melepaskan serpihan graphene, tetapi asal dari hambatan ini sehubungan dengan ukuran serpihan dan stabilitas termal belum diteliti.

Dalam studi yang kami pertimbangkan saat ini, para ilmuwan menunjukkan bahwa efek dari tepi akhir yang dihasilkan dari pemotongan struktur moire periodik menciptakan banyak hambatan energi potensial untuk melepas pelat graphene pada sudut belok tertentu. Jumlah dan besarnya skala hambatan energi ini dengan ukuran serpihan dan mengarah pada stabilitas termal yang bergantung pada ukuran dari kondisi rotasi.

Pemodelan


Stabilitas rotasi graphene dua lapisan terpelintir dipelajari menggunakan pemodelan dinamika molekul skala besar berdasarkan perangkat lunak LAMMPS . Model struktur graphene dua lapis bengkok dari ukuran tertentu dibuat dengan memutar serpihan graphene dalam konfigurasi AB pada lembaran graphene tak berujung yang bebas tergantung dengan sudut misorientasi awal * θ = 7,34 ° relatif terhadap sumbu di luar pesawat ( 1a ).
Kesalahan orientasi * - perbedaan orientasi kristalografi antara dua kristalit dalam bahan polikristalin.


Gambar No. 1

Superposisi dari dua kisi-kisi graphene diputar pada sudut ini menciptakan pola moire dengan periodisitas Lp = 1,9 nm ( 1b ). Setiap unit sel moire terdiri dari atom dengan beberapa konfigurasi yang berbeda - AB, AA, BA dan SP ( 1C ).
Pola moire * - pola yang diperoleh dengan saling menempel pada dua pola mesh periodik lainnya.
Serpihan graphene dipangkas (pelat atas) agar sesuai dengan ukuran sel unit moire. Ini berarti bahwa serpihan graphene memiliki tepat 1 periode moire pada θ = 7.34 ° dan disebut L1xL1.

Selanjutnya, sel satuan ini disalin 2, 4, 6, dan 32 kali dalam arah planar untuk mendapatkan serpihan graphene L2xL2, L4xL4, L6xL6 dan L32xL32 dengan dimensi tepi belah ketupat masing-masing 3,8, 7,6, 11,4 dan 61,4 nm.

Dalam model yang diperoleh dari bilayer graphene, ikatan CC dalam pesawat (ikatan kovalen antara atom karbon) dijelaskan oleh model ikatan empiris reaktif (REBO), dan interaksi interlayer yang tidak terikat diwakili oleh potensi Kolmogorov-Crespi, yang dengan tepat mencerminkan besarnya dan anisotropi dari energi potensial permukaan antarpemain.

Perhitungan energi kesalahan pengemasan * (SFE) dari bilayer graphene dalam konfigurasi AB juga dilakukan .
Cacat kemasan * - pelanggaran urutan normal pengemasan pesawat atom dalam struktur kristal yang padat.
Nilai SFE yang diperoleh sekitar 2% berbeda dari yang diperoleh dalam perhitungan berdasarkan teori fungsional kepadatan (DFT) menggunakan perkiraan kepadatan lokal, serta perhitungan DFT yang memperhitungkan interaksi Van der Waals.

Hasil penelitian


Serpihan graphene yang diputar seimbang secara termal pada suhu mulai dari 300 hingga 3000 K menggunakan termostat Berendsen selama 1 ns dan kemudian termostat Nose-Hoover selama 3 ns (langkah waktu tetap 1 fs).


Gambar 2:

Grafik 2a - 2d menunjukkan perubahan sudut rotasi serpihan graphene L4xL4 selama satu periode kesetimbangan (4 ns) pada suhu yang berbeda. Pada 300 K, serpihan graphene berputar dari sudut awalnya initial = 7.34 ° hingga to = ∼8 ° ( 2a ). Namun, pada 600 K, serpihan graphene sudah berputar berlawanan arah ke to = ∼6.4 ° ( 2b) Temperatur yang lebih tinggi sama dengan 640 K, menyebabkan perubahan langkah dalam sudut pengulangan: pertama dari θ = 7,34 ° menjadi 6,4 ° pada 0,25 ns, kemudian ke = 4,5 ° pada 0,5 ns dan ke = 2,6 ° pada 2,25 ns ( 2c ).

Dengan sedikit peningkatan suhu ke 650 K, serpihan graphene langsung mengendur, mengembalikan konfigurasi semula AB pada θ = 0 ° ( 2d ). Perubahan transisi serpihan graphene yang berbeda ini disertai dengan perubahan dalam pola moire dan periodisitas ( 2g ).

Fitur yang aneh dari perubahan belokan ini adalah ketergantungannya pada ukuran serpihan. Jadi, untuk serpihan graphene L1xL1 yang lebih kecil, pelepasan instan ke konfigurasi AB yang stabil (θ = 0 °) sudah terjadi pada 300 K ( 2) Tetapi serpihan graphene besar L32xL32 menunjukkan sedikit perubahan dalam θ bahkan pada suhu 1000 K ( 2f ).

Kemudian, ilmuwan menghitung total potensi energi E t θ relatif terhadap energi global minimum E t AB ketika penguraian serpihan graphene yang berbeda.


Image No. 3

Keberadaan banyak hambatan energi dan minimum potensial energi lokal diamati ketika serpihan graphene dilepas dari θ = ∼8 ° untuk mencapai keadaan tidak terlindungi, yang merupakan minimum global pada θ = 0 °. Peningkatan ukuran serpihan meningkatkan jumlah penghalang energi potensial untuk melepaskan, serta besarnya hambatan energi ini.

Serpihan graphene terkecil L1xL1 memiliki tepat satu minimum lokal pada θ = ∼8 ° dengan energi penghalang rendah 0,052 eV ( 3a ), yang dijelaskan oleh pemilahan spontan pada suhu kamar ( 2e ). Untuk pelat graphene L2xL2, dua minima lokal saat ini berkembang pada 8,51 ° dan 5,81 ° dengan energi penghalang masing-masing 0,17 dan 0,31 eV ( 3b ).

Untuk pelat graphene L4xL4, empat sudut rotasi lokal stabil ( 3s ) diamati , sesuai dengan empat keadaan transisi pada 2a - 2d. Keadaan awal pada θ = 7.34 ° secara energik tidak menguntungkan, karena dekat dengan puncak lokal, akibatnya serpihan graphene memutar θ = 0,74 ° ke minimum lokalnya θ = 8,08 ° ( 2a ). Serpihan graphene memiliki energi panas yang cukup untuk mengatasi penghalang energi pertama (E b = 0,36 eV) pada 600 K dan semua yang berikutnya kecuali penghalang energi final (E b = 0,74 eV) pada 640 K. Suhu sedikit lebih tinggi (650 K ) memungkinkan Anda untuk melewati penghalang energi final untuk mencapai konfigurasi AB.

Untuk serpihan graphene yang lebih besar, L32xL32, 32 penghalang diamati (masing-masing sekitar dalam E b= 3 ... 6 eV) sesuai dengan 32 superlattice moire awal di setiap arah ( 3d ).

Berbagai penghalang energi ini memastikan stabilitas rotasi serpihan graphene L32xL32 bahkan pada suhu tinggi (3000 K), yang sebanding dengan suhu selama pertumbuhan graphene oleh deposisi uap kimia.

Menggunakan persamaan Arrhenius * , laju transisi dari satu keadaan rotasi (θ 1 ) ke yang lain (θ 2 ) dapat dinyatakan sebagai k θ 1 → θ 2 = Ae - E b / k B T , di mana k B adalah konstanta Boltzmann *.
* k T.

* (k) . k = 1380649 10-23 /.
Dengan demikian, hambatan energi potensial E b1 diperoleh untuk lima serpihan graphene dengan ukuran yang meningkat dalam keadaan stabil pertama (θ 1 ) dekat sudut putar awal θ = 7.34 °.

Kemudian, suhu secara bertahap ditingkatkan untuk mendapatkan nilai suhu aktivasi (T) di mana serpihan graphene melintasi E b 1 dan membuka gulungan dalam keadaan stabil tetangga (θ 2 ).

Para ilmuwan mencatat bahwa meningkatkan ukuran serpihan secara signifikan meningkatkan Eb1 dan mengarah pada suhu aktivasi T yang lebih tinggi untuk kasus pelepasan pertama. Karena tingginya E b1sama dengan 3,93 eV untuk serpihan graphene terbesar L32xL32, kami tidak mengamati pemintalan serpihan graphene bahkan pada suhu 3000 K.

Kemudian, energi potensial dihitung untuk graphene dua-lapis yang diputar secara periodik lengkap dengan superlattice moire yang diskalakan dengan jumlah atom yang sama seperti pada serpihan tersebut. L32xL32 untuk perbandingan.

Akibatnya, proses pembusukan kelancaran E t θ - E t AB (yaitu, tanpa hambatan energi) dengan unwinding dari superlattices moiré benar-benar periodik ( 3d) Namun, dalam serpihan graphene yang diputar, superlattice moire “terputus” di dekat tepinya, yang akhirnya mengarah pada fluktuasi energi potensial secara berkala selama pelepasan. Selanjutnya, penentuan kuantitatif dibuat dari periodisitas yang tidak lengkap dari superlattice moire di tepi r , sebagai sisa ukuran serpih L selama periode moire Lp (θ).

Sudut rotasi di mana r / Lp berubah tajam dari 1 menjadi 0 menunjukkan struktur moire yang dikembangkan penuh (tidak terpotong) untuk serpihan graphene, mirip dengan graphene bilayer rotari yang sepenuhnya periodik.

Selama unwinding, setiap serpihan graphene memotong banyak minimum lokal tingkat energi yang sama dengan jumlah awal periode moire (4 untuk L4xL4; 32 untuk L32xL32, dll.).


Gambar No. 4

Pada 4a dan 4b terlihat bahwa energi potensial dari masing-masing atom untuk kedua grafena E θ dan grafena yang dikonfigurasi ABAB, nilai EAB jauh lebih tinggi di tepi karena pembelahan ikatan karbon asimetris. Untuk menghilangkan efek tepi ini, diputuskan untuk menggunakan E θ - E AB sebagai ukuran perubahan energi lokal ( 4c ). Oleh karena itu, atom-atom dalam konfigurasi AB sudah dalam konfigurasi minimal global dan memiliki E θ- E AB = 0, mis. Nol ketidakcocokan. Atom-atom dalam konfigurasi BA juga dalam konfigurasi minimum global. Namun, atom-atom ini memiliki ketidakcocokan maksimum, karena mereka memiliki tumpukan atom yang berlawanan dibandingkan dengan AB (susun kesalahan), sebagaimana dibuktikan oleh perbedaan maksimum dalam energi atom (E θ - E AB = 13 meV).

Akibatnya, besarnya kelebihan energi potensial masing-masing atom dibandingkan dengan energi dalam keadaan non-rotasinya (| E θ - E AB |) adalah ukuran kuantitatif tingkat ketidaksesuaian atom. Dari kesimpulan ini, kita dapat mengklasifikasikan atom berdasarkan rentang | E θ - E AB | (4d ): AB (0–2.2 meV); AA (2.2–3.7 meV dan 10–11.5 meV); SP (3.7-10 meV) dan BA (11.5-13 meV).


Gambar No. 5

Gambar di atas menunjukkan tepi yang tidak cocok dari atom serpihan graphene L4xL4 pada sudut rotasi yang sesuai dengan minima lokal dan tingkat energi pelana di sepanjang jalur energi potensial minimum selama 3 detik . Pola moire sepenuhnya periodik ( 5a ) sekarang dapat berkembang pada titik sadel , karena ukuran serpih L sepadan dengan periode moire Lp . Akibatnya, energi penghalang untuk slip antarmuka menjadi sangat rendah, karena konfigurasi atom dalam geometri periodik tidak tergantung pada gerakan translasi serpihan graphene relatif terhadap substrat.

Sebaliknya, pada sudut rotasi yang sesuai dengan minimum lokal, energi L dan Lp menjadi tidak proporsional dan cenderung meminimalkan energi potensial total, berkontribusi pada pembentukan AB daripada AA ( 5b ). Dengan demikian, pergeseran kisi kecil dari konfigurasi yang diperkecil energi ini dapat menyebabkan perubahan besar dalam urutan penumpukan untuk periode moire yang tidak lengkap di tepinya, yang akan menyebabkan energi penghalang tinggi untuk rotasi dan slip antar muka.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda membaca laporan para ilmuwan .

Epilog


Kesimpulan utama dari penelitian ini adalah bahwa efek tepi akhir yang dihasilkan dari pemangkasan pola moire mengontrol resistensi rotasi bahan dua dimensi bengkok. Secara khusus, perubahan periodisitas moire selama pelepasan material dua lapisan menciptakan banyak hambatan energi potensial karena tingkat kesetaraan yang bervariasi secara spasial dalam konfigurasi atom. Efek batas ini menjelaskan mekanisme yang mendasari transisi rotasi struktur tersebut, serta ketergantungan transisi tersebut pada ukuran struktur yang digunakan dan pada suhu.

Intinya adalah bahwa graphene yang diputar selalu berusaha untuk kembali ke keadaan semula, karena untuk itu ia adalah keadaan dan posisi atom yang paling stabil. Namun, dalam kondisi tertentu, stabilitas dipertahankan bahkan di hadapan rotasi struktur. Faktor utama dengan adanya stabilitas ini adalah sudut rotasi, serta berbagai suhu, yang memungkinkan struktur graphene untuk beralih dari satu kondisi stabil ke kondisi stabil lainnya.

Dalam graphene bilayer, lapisan yang membentuk strukturnya tidak terikat satu sama lain. Fitur ini, menurut para peneliti, memungkinkan Anda untuk menafsirkan sifat-sifat struktur tergantung pada keadaan. Memilih kondisi tertentu, Anda bisa mendapatkan struktur yang sama, tetapi dengan properti yang berbeda. Oleh karena itu, berbagai aplikasi struktur seperti itu berkembang tanpa perlu mengubahnya secara radikal.

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap penasaran dan selamat berakhir pekan, semuanya! :)

Sedikit iklan :)


Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman Anda VPS berbasis cloud untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server entry-level yang diciptakan oleh kami untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps mulai dari $ 19 atau cara membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas c menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?

More articles:


All Articles