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我一遍又一遍，我想混淆：两层石墨烯的操纵



2004年，科学界首次熟悉了物理形式的石墨烯。几十年来，关于这种惊人材料的理论很多。自从收到真正的石墨烯以来，我们已经了解了很多，但还不是全部。伊利诺伊大学香槟分校的美国科学家决定对石墨烯板进行相当不寻常的实验。研究表明，石墨烯板的尺寸和环境温度直接影响结构的稳定性，可以用来获得一定形状的结构，从而改变其性能。实验进行得如何，获得了有关双层石墨烯的新数据，以及如何将这些知识付诸实践？我们从科学家的报告中了解到这一点。走。

学习基础


作为研究的对象，它不仅变成了石墨烯，而且还变成了两层形式。顾名思义，这种结构由彼此紧密相邻的两个石墨烯板组成，它们之间的距离约为1 nm。通常，在两层石墨烯中，下板相对于上板旋转60度，因此下板中的亚晶格A和上板中的亚晶格B垂直对齐（AB构造）。


双层石墨烯中的AA和AB板配置的示例（来源）。

这种基于石墨烯的二维结构远非唯一的版本。因此，根据科学家的例子，存在一种用石墨分离石墨烯的方法，这导致了性质上全新的结构。但是，您不仅可以通过更改组成元素，还可以通过更改其位置来更改特征。

来自选定区域的衍射和暗场显微镜一次证实了在由化学气相沉积产生的双层石墨烯板中存在旋转区域。

轧制的双层石墨烯可表现出广泛的异常特性，包括超导性，铁磁性以及甚至更高的润滑性。所有这些能力是由于旋转角度导致的层间通信的变化。决定层间耦合的重要参数是单位晶格的周期，称为莫尔超晶格，该周期随旋转角度的微小变化而强烈变化。

对旋转的石墨薄片（板状零件）在石墨表面上的摩擦的研究可能会经历平稳的滑动（增加的润滑性），然后随着石墨烯元素的旋转回到与其相称的AB填充相关的突然停止滑动。我们还观察到石墨烯薄片从相应的（AB构型）过渡到不均匀（旋转）的石墨烯薄片，随后发生滑动。

分子研究表明，存在解开石墨烯薄片的潜在能垒，但是关于薄片的尺寸及其热稳定性的这些垒的起源尚未得到研究。

在我们今天正在考虑的研究中，科学家表明，由于周期性莫尔条纹结构的截断而产生的最终边缘的影响产生了许多潜在的能垒，以一定的旋转角度将石墨烯板展开。这些能垒的数量和大小与薄片的尺寸成比例，并导致旋转状态的尺寸相关的热稳定性。

造型


使用基于LAMMPS软件的大规模分子动力学模型研究了扭曲的两层石墨烯的旋转稳定性。通过在自由悬浮的环形石墨烯片上以AB构型旋转AB形石墨烯薄片，以相对于平面外轴（1a）的初始取向错误角* θ= 7.34°来创建一定尺寸的扭曲两层石墨烯的模型结构。
错误取向* -多晶材料中两个微晶之间的晶体取向差异。


图像No.1

两个旋转的石墨烯光栅在此角度上的叠加会形成莫尔图案，其周期为L p = 1.9 nm（1b）。每个单元莫尔单元由具有几种不同构型的原子组成-AB，AA，BA和SP（1）。
莫尔图案* -通过将两个周期性网格图案相互叠加而获得的图案。
修整石墨烯薄片（顶板）以适合莫尔晶胞的尺寸。这意味着石墨烯薄片在θ= 7.34°时具有正好1个波纹期，称为L1xL1。

此外，在平面方向上将该单位晶胞复制2、4、6和32次，以获得分别具有菱形边缘尺寸为3.8、7.6、11.4和61.4nm的石墨烯薄片L2xL2，L4xL4，L6xL6和L32xL32。

在获得的双层石墨烯模型中，通过反应性经验键模型（REBO）描述面内CC键（碳原子之间的共价键），未结合的层间相互作用用Kolmogorov-Crespi势表示，该势能正确反映层间表面势能的大小和各向异性。

还对AB构型的双层石墨烯的填充缺陷能*（SFE）进行了计算。
堆积缺陷* -违反了紧密堆积的晶体结构中原子平面的正常堆积顺序。
所获得的SFE值与使用局部密度近似以及基于范德华相互作用的DFT计算基于密度泛函理论（DFT）的计算所获得的SFE值相差约2％。

研究成果


使用Berendsen恒温器持续1 ns，然后使用Nose-Hoover恒温器持续3 ns，将旋转的石墨烯薄片在300至3000 K的温度范围内进行热平衡（固定时间步长1 fs）。


图像2：

曲线2a - 2d显示了在不同温度下一个平衡周期（4 ns）内石墨烯薄片L4xL4旋转角度的变化。在300 K时，石墨烯薄片从其初始角度θ= 7.34°旋转到θ=〜8°（2a）。但是，在600 K时，石墨烯薄片已经向θ=〜6.4°（2b）等于640 K的较高温度会导致重复角度发生阶跃变化：首先在0.25 ns时从θ= 7.34°变为6.4°，然后在0.5 ns时从= = 4.5°和在2.25 ns（2c）时变为2.6° 。

随着温度的略微升高至650 K，石墨烯薄片立即展开，在θ= 0°（2d）时恢复其原始结构AB 。石墨烯薄片的这些明显的过渡转变伴随着莫尔条纹和周期性的变化（2g）。

这些转向变化的一个奇怪特征是它们对薄片尺寸的依赖性。因此，对于较小的石墨烯薄片L1xL1，在300 K（2）但是，即使在1000 K（2f）的温度下，大石墨烯薄片L32xL32的θ仍显示出微小的变化。

然后，科学家计算的总的潜在能量E 吨θ相对于全局最小能量E 吨AB当退捻不同的石墨烯薄片。


3号图像

当石墨烯薄片从θ=〜8°退绕以达到不旋转状态时，观察到存在许多能垒和势能的局部最小值，这是在θ= 0°处的整体最小值。薄片尺寸的增加增加了展开时潜在的势垒的数量以及这些势垒的大小。

最小的石墨烯薄片L1xL1在θ=〜8°处恰好具有一个局部最小值，并且具有较低的势垒能0.052 eV（3a），这可以通过在室温（2e）下自发解扭来解释。对于L2xL2石墨烯板，目前在8.51°和5.81°处出现两个局部最小值，其势垒能量分别为0.17和0.31 eV（3b）。

对于石墨烯板L4xL4，观察到四个局部稳定的旋转角（3s），对应于2a - 2d的四个过渡态。 θ= 7.34°时的初始状态在能量上不利，因为它接近局部峰值，其结果是石墨烯薄片将另一个θ= 0.74°旋转到其局部最小值θ= 8.08°（2a）。石墨烯薄片具有足够的热能，可以克服600 K时的第一能垒（E b = 0.36 eV）和640 K时除最终能垒（E b = 0.74 eV）以外的所有后续能量。温度稍高（650 K ）让您越过最终的能垒，以实现AB的配置。

对于较大的石墨烯薄片L32xL32，观察到32个势垒（每个势垒大约在E b= 3 ... 6 eV）对应于沿每个方向（3d）的32个初始莫尔超晶格。

这些众多的能量屏障即使在高温（3000 K）下也可确保L32xL32石墨烯薄片的旋转稳定性，这与通过化学气相沉积法生长石墨烯的温度相当。

使用的Arrhenius方程*，过渡的从一个旋转状态的速率（θ 1）到另一个（θ 2）可以表示为k θ 1 →θ 2 =阂-电子b / K 乙 Ť，其中k 乙是玻尔兹曼常数*。
* k T.

* (k) . k = 1380649 10-23 /.
因此，潜在的能量E的障碍B1获得用于在所述第一稳定状态增加的尺寸（θ五个石墨烯薄片1）附近的初始扭转角θ= 7.34°。

然后，将温度逐渐升高，以获得在该石墨烯薄片跨过E中的活化温度（T）的值b 1和untwists在相邻稳定的状态（θ 2）。

科学家注意到，增加薄片的尺寸会显着增加E b1，并在第一种退绕情况下导致较高的活化温度T。由于E b1高对于最大的石墨烯薄片L32xL32，其等于3.93 eV，即使在3000 K的温度下，我们也没有观察到石墨烯薄片的自旋。

然后，计算了完全周期性旋转的两层石墨烯的势能，其中莫尔超晶格定标为与薄片中相同的原子数L32xL32用于比较。

其结果，E的平滑衰减的过程吨θ -电子吨AB（即，没有能垒）与完全周期超晶格云纹的退绕（3D）但是，在旋转的石墨烯薄片中，波纹“超晶格”在边缘附近被“切除”，最终导致退绕过程中势能的周期性波动。接下来，定量确定边缘r上的莫尔超晶格的不完全周期性，作为在莫尔周期L p（θ）上薄片L的尺寸的剩余部分。 r / L p从1到0急剧变化时的旋转角度表示石墨烯薄片完全展开（未截断）的莫尔结构，类似于完全周期性旋转的双层石墨烯。



在展开过程中，每个石墨烯薄片与能量水平的许多局部最小值相交，这些能量最小值等于初始的莫尔条纹周期数（L4xL4为4； L32xL32等为32）。


图像编号4

在图4a和4b中可以看出，每个原子两者回旋石墨烯E的势能θ和ABAB配置的石墨烯，所述EAB值是在边缘处更高由于碳键的不对称裂解。为了消除这种边缘效应，因此决定采取è θ -电子AB局部变化的能量的度量（4C）。因此，在配置AB的原子都已经在全球最低配置和得到E θ-E AB = 0，即零失配。 BA配置中的原子也处于全局最小配置。然而，这些原子具有最大失配，因为它们具有相反的原子叠层相比AB（堆垛层错），就证明了在原子的能量的最大差异（E θ -电子AB = 13兆电子伏）。

因此，相比于在其非旋转状态的能量每个原子的过量势能的大小（|电子θ -电子AB |）是原子的失配度的定量测量。从这个结论，我们可以根据分类范围内的原子|电子θ -电子AB | （4d）：AB（0–2.2 meV）； AA（2.2–3.7 meV和10–11.5 meV）； SP（3.7–10 meV）和BA（11.5–13 meV）。


第5

张图片上面的图片显示了石墨烯薄片L4xL4的原子的不匹配边缘，其旋转角对应于沿着最小势能路径持续3 s的局部最小值和鞍形能级。由于薄片L的大小与波纹周期L p相称，因此现在可以在鞍点处形成完全周期性的波纹模式（5a）。结果，由于周期性几何结构中原子的构型与石墨烯薄片相对于基底的平移运动无关，所以界面滑移的势垒能量变得非常低。

相反，在对应于局部极小值的旋转角处，能量L和Lp变得不成比例，并且倾向于使总势能最小化，从而有助于形成AB而不是AA（5b）。因此，这种能量最小化配置的小晶格偏移会导致堆叠序列的较大变化，从而使边缘处的波纹不完整，这将导致旋转和界面滑移的势垒能量较高。

要更详尽地了解这项研究的细微差别，建议您查看科学家的报告。

结语


这项研究的主要结论是，由莫尔条纹的修整产生的最终边缘的影响控制了扭曲的二维材料的旋转阻力。特别地，由于原子构型的可比性在空间上变化，因此在两层材料的退绕过程中，莫尔条纹的周期性变化产生了许多势能壁垒。这些边界效应解释了这种结构的旋转转变的基础机理，以及这种转变对所用结构的尺寸和温度的依赖性。

最重要的是，旋转的石墨烯始终努力返回其原始状态，因为对于它来说，它是原子最稳定的状态和位置。然而，在某些条件下，即使在结构旋转的情况下也保持了稳定性。存在这种稳定性的主要因素是旋转角度以及各种温度，从而允许石墨烯结构从一种稳定状态过渡到另一种稳定状态。

在双层石墨烯中，组成其结构的各层没有彼此紧密结合。根据研究人员的说法，此功能使您可以根据情况解释结构的属性。选择某些条件，您可以获得相同的结构，但具有不同的属性。因此，这种结构的应用范围得以扩展而无需从根本上改变它。

谢谢大家的关注，保持好奇心，祝大家周末愉快！:)

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