原子の蛇口がグラフェン層を持ち上げた

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ビデオ: Graphene oxide exfoliation 2023, 2月
原子の蛇口がグラフェン層を持ち上げた
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Anonim
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物理学者は、原子間力顕微鏡プローブの先端に配置された金原子とグラフェンの表面にある炭素原子との間に異なる電位差を適用することにより、それらの間の極性共有結合の操作を実証しました。彼らは、十分に強い結合で、プローブがグラフェン層を持ち上げて解放できることを示しました。研究はPhysicalReviewLettersに掲載されています。

化学結合は、分子や結晶全体の性質の形成に重要な役割を果たします。化学結合のパラメータを制御することは、物理学者やエンジニアが新しい材料やデバイスを作成するのに役立ちます。そして、ローカル制御が多ければ多いほど、より多くのミニチュアデバイスを作成できます。限定的なケースでは、単一原子の化学結合を制御する可能性について話します。

科学者たちはこの道を数十年にわたって続けてきました。たとえば、物理学者は、走査型トンネル顕微鏡の先端を使用して共有結合の数を原子的に変更することにより、単一分子の特性を制御することができました。さらに、研究者らは、電界が印加されたときのプローブとの結合の強さを研究することにより、ペンタセン分子を視覚化することができました。

新作では、デンマーク工科大学のMads Brandbygeの参加を得て、ドイツとデンマークの物理学者がさらに進んで、電気を適用して金と炭素の単一原子間の結合強度を制御する実験を行うことができました。分野。金原子は、グラフェンの表面に運ばれた原子間力顕微鏡の細い先端の上部にありました。フィールドは、表面とプローブの間に異なる大きさと符号の電圧を印加することによって作成されました。

グラフェンは、炭化ケイ素を摂氏1300度に加熱することによって作成されました。この場合、グラフェンドメインからなる超格子層がその面の1つに形成されます。純粋なグラフェンに加えて、著者らはリチウム原子が挿入されたその形態も調査しました。このようなグラフェンでは、リチウム原子がグラフェンと基板の間の空間に浸透します。

研究は、原子間力顕微鏡の非接触動作モードで実施されました。その中で、プローブはサンプル表面に触れることなく、サンプル表面上で機械的振動を実行します。接触がないにもかかわらず、ファンデルワールス力がプローブに作用し、これらの振動の周波数に影響を与えます。これらの力はサンプルからプローブまでの距離に大きく依存するため、表面を破壊することなく表面の特性を調べることができます。

物理学者は、両方の形態のグラフェンについて、異なる高さで、異なる電圧でチップと表面の間の相互作用の周波数と力の一連の測定を実行しました。測定は、プローブに近づいたり、プローブを引き抜いたりするシーケンスの形で実行されました。負の電位がサンプルに適用されたとき、アプローチと撤退の曲線は、周波数と力の両方でほぼ完全に一致しました。ただし、正の電位を印加すると、曲線は顕著なヒステリシスを示しました。

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純粋なグラフェン(a)と挿入されたグラフェン(d)のSEM画像。純粋なグラフェン(b、c)と挿入されたグラフェン(e、f)の、ゲームとサンプル間の振動周波数と力の変化の依存性。サンプル全体の電位は–700ミリボルト(b、e)および+700ミリボルト(c、f)でした。アプローチ曲線は実線で示され、リターン曲線は点線で示されます。

著者らは、サンプルの正の電位がAu-C結合を強化し、逆に負の電位が弱めると仮定して、この動作を説明しました。その結果、最初のケースでは、取り外し中に、小型クレーンのように、プローブがグラフェン層を後ろに引きずって変形させます。ある距離では、グラフェンの変形による弾性力が原子間の結合力を超え、グラフェンは元の状態に戻ります。インターカレーションはグラフェンと基板の間の結合を弱めます。これは、この場合、ヒステリシスがはるかに顕著であるという事実に反映されています。著者らは、さまざまな印加電圧、プローブ、およびサンプルとの接触点について、このプロセスを調査しました。特に、相互作用の強さは、炭素原子が格子のどこにあるかとは実質的に無関係であることを発見しました。

彼らの仮定を確認するために、物理学者は密度汎関数法と非平衡グリーン関数の方法を使用してこのプロセスをモデル化しました。さらに、彼らはヒルシュフィールド電荷分析を使用して、反対の符号の電界が印加されたときに電子密度がどうなるかを理解しました。シミュレーション結果は実験とよく一致していることを示した。

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(a)金原子から炭素原子への電荷の流れの、チップグラフェンシステム(四角)およびAu-Cダイマー(丸)の電位に対する計算された依存性。 (b)0.5ボルトの電圧に対するチップグラフェンシステムの電子密度の誘導差の計算。赤(緑)の等値面は、1立方ナノメートルあたり20個の電気素量の電子密度の損失(増分)に対応します。黒い矢印は電界の方向を示しています。 (c)(b)と同じですが、電圧は─0.5ボルトです。

著者らは、単一原子レベルでの化学結合の制御と、このように機械的負荷を制御する可能性が、物質の局所的な歪みの研究への道を開くことに注目しています。化学の観点から、得られた結果は、原子スケールで反応性と触媒活性を制御するためのツールを提供します。

科学者は常に化学プロセスに影響を与えようとしています。たとえば、彼らがレーザーでそれをどのように行ったかについてはすでに説明しました。そして、原子をフォトニック結晶に配置することで原子のイオン化エネルギーを制御する方法について、ブログに「メンデレーエフは夢にも思わなかった。原子のイオン化エネルギーを持つフォトニック結晶で何ができるか」と書いた。

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