Графен привлекает своей удивительной комбинацией лёгкости, гибкости и прочности. Теперь исследователи показали, что под давлением он может на короткое время приобретать свойства одного из своих более эффектных углеродных «родственников».
Команда учёных добилась превращения бислойного графена, выращенного методом химического осаждения из газовой фазы (CVD), в алмазоподобную фазу без использования экстремально высоких температур. Для этого они внедрили атомы азота и применили давление. Об этом сообщается в статье, опубликованной в журнале Advanced Materials Technologies.
Работа под руководством Элизы Риедо, профессора химической и биомолекулярной инженерии Германа Ф. Марка, сосредоточена на хрупком балансе между двумя формами углеродных связей. В обычном графене атомы углерода соединяются через sp² связи в плоском шестиугольном расположении, что обусловливает его электропроводность и механическую прочность.
Алмаз, напротив, состоит из sp³ связей в трёхмерной сети, что придаёт ему исключительную твёрдость. Превращение одного в другое обычно требует экстремального давления и температуры. Однако команда обнаружила, что легирование азотом снижает этот барьер, позволяя переходу происходить при комнатной температуре, когда слои сжимаются вместе.
Методы исследования
Для проверки эффекта исследователи использовали бислойные плёнки графена на подложках из диоксида кремния и внедрили атомы азота в процессе роста. Затем они применили механическое давление с помощью метода, известного как модулированный наноиндентирование.
Плёнки с легированным азотом продемонстрировали почти вдвое большую жёсткость по сравнению с чистой подложкой, что указывает на формирование более прочных алмазоподобных межслойных связей. В то же время образцы с легированным азотом однослойного или более толстого многослойного графена не показали аналогичного упрочнения, что указывает на зависимость эффекта от легирования и точной структуры бислоя.
Моделирование молекулярной динамики
Моделирование молекулярной динамики предоставило возможное объяснение. Модели показали, что атомы азота способствуют формированию sp³ связей между двумя слоями при их сжатии. Атомы азота, по-видимому, стабилизируют эти межслойные связи, эффективно «запирая» части бислоя в более алмазоподобной конфигурации.
Это взаимодействие между химическим легированием и давлением указывает на ранее не признанный путь преобразования атомной структуры графена.
Практическое применение
Потенциал этого открытия выходит за рамки простого любопытства в области химии углерода. Поскольку в экспериментах использовался крупномасштабный графен, выращенный методом химического осаждения из газовой фазы, процесс изначально совместим с промышленными методами изготовления и размерами пластин.
Преобразование также происходит в мягких условиях, избегая высоких температур, которые обычно разрушают или искажают двумерные материалы. В принципе, такой подход может привести к созданию ультратонких, лёгких покрытий, устойчивых к износу и деформации, сохраняя при этом преимущества графеновых подложек.
Однако работа ставит столько же вопросов, сколько и ответов. Степень трансформации остаётся неопределённой — неясно, является ли связь sp³ непрерывной или ограничена локализованными областями под индентором. Исследователи также не знают, сохраняется ли алмазоподобная фаза после снятия давления или со временем она возвращается к графену.
Понимание того, насколько стабильны и однородны эти трансформации, будет иметь решающее значение для любого практического применения. Влияние на электронное поведение также остаётся неизвестным. Алмазный углерод обычно является электрическим изолятором, поэтому локализованные области sp³ могут изменить электронные или оптические свойства плёнки.
Будущие исследования должны прояснить, как уровни легирования, интенсивность давления и выбор подложки влияют на трансформацию.
Исследование предполагает, что универсальность графена может быть шире, чем ожидалось. Манипулируя его атомной средой — путём легирования, деформации или давления — исследователи могут получить возможность переключаться между различными структурными фазами по требованию. Такой контроль может привести к созданию нового поколения адаптивных материалов, способных переходить из мягкого в жёсткое состояние или из проводящего в изолирующее в зависимости от условий эксплуатации.
Графен часто описывали как материал с неиспользованным потенциалом. Эта работа предлагает ещё один взгляд на этот потенциал, показывая, что даже после более чем десяти лет интенсивных исследований простейшая форма углерода всё ещё может удивить нас.