Двумерные (2D) материалы, имеющие толщину всего в несколько атомов, известны своими уникальными электрическими, механическими и оптическими свойствами, которые значительно отличаются от свойств объёмных материалов. Некоторые недавние исследования также изучали «прозрачность» этих материалов для межмолекулярных взаимодействий, таких как ван-дер-ваальсовы (vdW) силы — слабые силы, возникающие из-за флуктуирующих электрических зарядов, которые вызывают притяжение между молекулами или поверхностями.
Определение степени экранирования этих сил атомарно тонкими материалами может иметь важные последствия для разработки различных технологий на основе 2D-материалов.
Исследователи из Пекинского университета, Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики и Университета Цинхуа недавно попытались выяснить, полностью ли передают, частично экранируют или блокируют 2D-системы на основе графена ван-дер-ваальсовы взаимодействия.
Их результаты, опубликованные в статье в журнале Physical Review Letters, показывают, что слои графена в 2D-системах экранируют 15–50% ван-дер-ваальсовых сил в зависимости от их толщины, обеспечивая тем самым частичную прозрачность.
«Мокрая» прозрачность графена
«Наше исследование было вдохновлено дискуссией, известной как «мокрая» прозрачность графена (то есть угол контакта капель воды на подложке остаётся неизменным, когда подложка покрыта одним слоем графена», — рассказал Чжаохэ Дай, старший автор статьи, в интервью Phys.org.
«За последнее десятилетие разные группы сообщали о полной прозрачности, частичной прозрачности или даже непрозрачности, что привело к значительной путанице. Сообщество постепенно осознало, что в основе этого вопроса лежит более глубокий и фундаментальный вопрос: как однослойное покрытие изменяет поверхностную энергию подложки?»
Эксперименты по смачиванию
Эксперименты по смачиванию, в которых исследуется взаимодействие жидкостей с твёрдой поверхностью, оказались неэффективными для прямого исследования влияния покрытий из атомных слоёв на поверхностную энергию подложек из-за сложных взаимодействий между жидкостями и твёрдыми телами. Более эффективный подход к исследованию этих эффектов основан на прямом измерении ван-дер-ваальсовых сил с помощью хорошо зарекомендовавших себя классических зондов.
В рамках своего недавнего исследования Дай и его коллеги специально попытались определить, как тонкое графеновое покрытие влияет на ван-дер-ваальсовы взаимодействия лежащей в его основе твёрдой подложки. Для этого они использовали технику, известную как коллоидная атомно-силовая микроскопия (AFM).
«Другими словами, мы попытались выяснить, как графен экранирует — или пропускает — ван-дер-ваальсовы силы подложки, которую он покрывает, тем самым количественно определяя прозрачность графена для ван-дер-ваальсовых взаимодействий», — сказал Дай.
Методика исследования
Исследователи поднесли этот зонд близко к тестовой поверхности в условиях сверхнизкой влажности (ниже 10%), что предотвратило нарушение измерений молекулами воды. Они рассмотрели два разных образца: один, состоящий из графена, нанесённого на подложку из диоксида кремния (SiO₂), и другой — из графена, подвешенного над небольшими круглыми полостями.
«Используя эти образцы, мы провели два взаимодополняющих типа измерений», — пояснил Дай. «Первые — это тесты на отрыв, в которых мы измерили силу, необходимую для отрыва сферы от поверхности. Сравнивая подвешенный и поддерживаемый графен, мы могли определить, какой вклад в общую адгезию вносит подложка SiO₂. Вторые — тесты на втягивание, в которых мы отслеживали, как сила притяжения между сферой и поверхностью увеличивалась по мере уменьшения зазора между ними».
Результаты исследования
Результаты, полученные исследователями, показали, что графен передаёт силы подложки. Однако тесты на втягивание дали наиболее надёжные и количественные данные, которые можно было использовать для извлечения фактора прозрачности. Это значение указывает на то, сколько ван-дер-ваальсово взаимодействия подложки остаётся «видимым» через графеновую плёнку, состоящую из N атомных слоёв.
«Самый важный вывод заключается в том, что прозрачность графена для ван-дер-ваальсова взаимодействия не является фиксированной величиной, а зависит от того, насколько далеко находятся две взаимодействующие поверхности и какова толщина графеновой плёнки», — сказал Дай. «Например, когда подложка, покрытая одним слоем графена, взаимодействует с другой поверхностью через зазор около 5 нанометров, графен всё равно «пропускает» примерно 85% ван-дер-ваальсовой силы подложки».
Это исследование Дая и его коллег может иметь различные последствия для будущих исследований и разработок. Во-первых, оно вводит согласованную теоретическую и экспериментальную основу для изучения ван-дер-ваальсовых сил в 2D-материалах. Кроме того, оно подчёркивает потенциал атомно-слоевых покрытий для настройки поверхностных свойств, таких как адгезия.
Методология группы и собранные ими данные могут проложить путь для дальнейших экспериментов, исследующих экранирующие возможности 2D-материалов. В конечном итоге их работа также может быть использована для проектирования наноразмерных устройств, использующих адгезию и передачу ван-дер-ваальсовых сил.
«Теперь, когда у нас есть количественное понимание прозрачности ван-дер-ваальсовых сил, мы планируем разработать поверхности из диоксида кремния (широко используемые в электронных и фотонных устройствах) с индивидуальными поверхностными свойствами с помощью покрытий атомного масштаба», — добавил Дай. «В частности, мы стремимся изучить, как такие покрытия могут настраивать сродство поверхности к другим компонентам, таким как функциональные слои или электрические контакты, тем самым улучшая адгезию, совместимость и производительность в интегрированных системах».