Используя рамановскую спектроскопию и статистический анализ, группе удалось провести наномасштабные измерения деформации, присутствующей в каждом пикселе на поверхности материала. Исследователи также получили представление с высоким разрешением химических свойств поверхности графена.
Результаты, говорит Слава В. Роткин, профессор физики, а также материаловедения и инженерии в Университете Лихай, потенциально могут позволить ученым быстро и точно отслеживать уровни деформации при производстве графена. Это, в свою очередь, может помочь предотвратить образование дефектов, вызванных деформацией.«Ученые уже знали, что рамановская спектроскопия может получить неявно полезную информацию о деформации в графене», — говорит Роткин. «Мы ясно показали, что вы можете составить карту напряжения и собрать информацию о его последствиях.«Более того, используя статистический анализ, мы показали, что можно узнать больше о распределении деформации внутри каждого пикселя, о том, как быстро меняются уровни деформации и о влиянии этого изменения на электронные и упругие свойства графена».
Группа сообщила о своих результатах в Nature Communications в статье под названием «Рамановская спектроскопия как исследование изменений деформации графена в нанометровом масштабе».Помимо Роткина, статью написали исследователи из RWTH / Aachen University и Исследовательского центра Юлиха в Германии; Парижский университет во Франции; Федеральный университет Флуминенсе в Бразилии; и Национальный институт материаловедения в Японии.Графен — самый тонкий материал, известный науке, и один из самых прочных.
Графен, представляющий собой углеродный лист толщиной в 1 атом, был первым из когда-либо обнаруженных двумерных материалов. По весу он в 150-200 раз прочнее стали. Он также гибкий, плотный, практически прозрачный и отлично проводит тепло и электричество.
В 2010 году Андре Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию по физике за свои инновационные эксперименты с графеном. Используя обычную клейкую ленту, двум британским физикам удалось отделить слои графена от графита — непростая задача, учитывая, что 1 миллиметр графита состоит из 3 миллионов слоев графена.Примерно за десять лет с тех пор, как Гейм и Новоселов начали публиковать результаты своих исследований графена, этот материал нашел свое применение в нескольких приложениях, от теннисных ракеток до сенсорных экранов смартфонов. Согласно статье в Nature в 2014 году рынок графена в США в 2013 году оценивался в 12 миллионов долларов.
Дальнейшую коммерциализацию графена сдерживают несколько препятствий. Одним из них является наличие дефектов, которые вызывают деформацию структуры решетки графена и отрицательно влияют на его электронные и оптические свойства.
С этим связана сложность производства высококачественного графена по низкой цене и в больших количествах.«Графен стабилен и гибок и может расширяться, не ломаясь», — говорит Роткин, который осенью 2013 года работал в RWTH / University of Aachen. «Но на его поверхности есть морщины или пузыри, которые придают поверхности холмистый вид и мешают возможному применению».
Слой графена обычно создается на подложке из диоксида кремния с помощью процесса, называемого химическим осаждением из паровой фазы. Материал может деформироваться из-за загрязнения, которое происходит во время процесса, или из-за того, что графен и подложка имеют разные коэффициенты теплового расширения и, таким образом, охлаждают и сжимаются с разной скоростью.Чтобы определить свойства графена, группа использовала рамановскую спектроскопию, мощный метод сбора света, рассеянного поверхностью материала.
Группа также применила магнитное поле, чтобы получить дополнительную информацию о графене. По словам Роткина, магнитное поле контролирует поведение электронов в графене, что позволяет более четко увидеть эффекты рамановской спектроскопии.«Рамановский сигнал представляет собой« отпечаток пальца »свойств графена», — сказал Роткин. «Мы пытаемся понять влияние магнитного поля на сигнал комбинационного рассеяния.
Мы изменили магнитное поле и заметили, что каждая линия комбинационного рассеяния в графене изменяется в ответ на эти изменения».Типичное пространственное разрешение «рамановской карты» графена составляет около 500 нанометров (нм), или ширину лазерного пятна, сообщила группа в Nature Communications. Это разрешение позволяет измерять вариации деформации в микрометровом масштабе и определять среднюю величину деформации, приложенной к графену.Однако, выполнив статистический анализ рамановского сигнала, группа сообщила, что смогла измерить деформацию в каждом пикселе и отобразить деформацию и вариации деформации по одному пикселю за раз.
Таким образом, группа сообщила, что она смогла «различать вариации деформации в микрометровом масштабе, которые могут быть извлечены из пространственно разрешенных рамановских карт, и вариации деформации в нанометровом масштабе, которые находятся в масштабе субпятно и не могут быть измерены. непосредственно наблюдаются с помощью рамановских изображений, но считаются важными источниками рассеяния для электронного транспорта ».Группа изготовила образцы графена с помощью химического осаждения из паровой фазы (CVD) в RWTH / Университете Ахена.