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石墨烯具有修补自身的能力

文章来源:北科新材 浏览次数:18时间:2020-08-10 QQ学术交流群:1092348845

尽管石墨烯本身被称为“魔术”材料,但如果要用于实际应用,则必须与可能的器件的其他组件集成在一起。例如,要利用其惊人的电子传导特性,您仍然需要通过触点将其连接到电路的其余部分,触点通常由金属制成。
因此,了解金属在化学和结构上如何与石墨烯相互作用非常重要,研究人员已经发表了有关该主题的许多研究报告(例如,参见Nano Letters最近的论文“通过原子分辨率扫描透射电子显微镜研究金属-石墨烯的相互作用”)。 ”
根据这些观察结果,在一个非常意外的发现中,研究人员现在发现,石墨烯经历了自我修复过程,以封闭由金属原子引起的空穴。在2012年7月5日在线版的Nano Letters中报告了他们的发现“石墨烯重新形成洞”),这是英国曼彻斯特大学和SuperSTEM实验室的一个研究小组的研究成果,结果表明,室温下,在电子束下,纳米层孔(可能缺少100个原子左右)在单层石墨烯片中被蚀刻。它们与金属杂质的相互作用,通过填充非六边形,类石墨烯或完美的六边形2D结构自发地修复。在此过程中,松散的碳原子会自发地在石墨烯表面上迁移,并会附着在孔的边缘,从而很快将其填满。科学家实际上能够在一系列图像中捕获这种机理,这些图像几乎逐个原子地显示了这种空穴填充过程是如何发生的。
“我们先前的发现之一(“金属介导的悬浮石墨烯蚀刻的直接实验证据”)是,在特定条件下,除金以外的金属原子似乎可以介导非同寻常的蚀刻过程:它们有助于在石墨烯中形成孔。”昆汀Ramasse,在科学主任SuperSTEM,告诉Nanowerk。“简单来说,将一些金属放在石墨烯片附近,添加一些能量,最可能的是添加一些氧气,并且金属原子将催化键断裂反应。碳-碳键断裂,形成空穴,更多的金属原子吸引到该孔并帮助打破更多的键,并且孔不断变大,直到金属原子的储库耗尽为止。”
悬浮石墨烯的空穴填充工艺
原子分辨率Z对比图像说明了悬浮石墨烯中的空穴填充过程。(a)在碳氢化合物污染边界处产生的孔开始用C多边形“修补”。(b)通过合并5-7环和两个5-8环来完成重建,并且(c)通过5-7环重新分布“修补”区域中的缺陷。图像(df)是(ac)的处理后版本。使用了最大熵解卷积算法,并优化了对比度以可视化碳原子。碳原子位置由浅绿色的点和根据环中原子数编号的多边形突出显示。(经美国化学学会许可转载)
Ramasse指出,没有金属原子存在就不会发生该过程:“我们的仪器允许我们在非常长的时间内观察到石墨烯原子,而不会损坏材料。”
该团队包括Recep Zan,Ursel Bangert和Konstantin S. Novoselov,他们共同获得了诺贝尔奖,这是石墨烯的共同发现者。当他们意识到通过上述过程制造的一些漏洞正在修补时,他们正在研究这种现象。本身充满了新的碳原子,这些碳原子很可能来自附近的碳“储库”-本质上是距离孔不太远的一些基于碳的污染物。
拉马斯说:“这个孔在自我修复的事实已经足够了。” “话虽如此,我们知道石墨烯中的孔/边在能量上不利,松散的碳原子可以在石墨烯的表面上非常迅速地扩散,因此这并不是完全出乎意料的:如果没有更多理由扩大孔换句话说,如果蚀刻工艺停止了,那么材料将尝试补偿已经形成的不稳定孔,并且一种简单的方法是将其填充。
他继续说:“更令人惊讶的是,孔不一定充满完美的石墨烯晶格,而是C原子有点随机地键合到其他碳原子上,而不是通常的蜂窝6倍模式,而是5倍。 -,6-,7-或什至8个成员环,没有明显的中或远距离有序。换句话说,我们观察到的是二维“准”无定形结构。”
蚀刻和填充机制之间的平衡可能是工作装置与概念验证之间的差异,而没有任何实际应用。因此,可以稍微放心的是,如果通过将金属和石墨烯紧靠而产生孔,则该系统具有自修复的趋势。但是,该团队的观察结果基本上是在事物的基本方面:他们正在研究模型系统,而不是基于石墨烯的设备中的真实金属触点。
从更抽象的角度来看,二维无定形结构的观察是令人着迷的。Ramasse说:“出于明显的原因,在原子水平上很难说出无定形材料。” “没有顺序,没有重复单元,那么如何描述原子如何彼此键合呢?像我们一样看到它的二维形式,意味着我们实际上可以逐个原子地研究那些准随机性。结构,并获得有关这些材料在整个3维上的外观的大量见解。”
最近在石墨烯和其他材料上进行的所有纳米级研究的基础是,由于最近的技术进步,科学家现在拥有可以一次观察一个原子的材料的工具,其中包括敏感的材料,例如仅一个原子厚的石墨烯。
曼彻斯特团队使用的一种功能极为强大的显微镜(由一家名为Nion的美国小型公司制造的先进电子显微镜)可以捕获结构中每个单个原子都被解析的石墨烯图像,而不会损坏所观察到的材料。它使研究人员能够分辨出这些原子是什么,它们在结构中的位置,区分杂质原子(例如,氧,硅或金属杂质),并在某种程度上告诉它们如何与相邻原子键合。
“从材料科学的角度来看,这是一个非常激动人心的时刻,因为这些正是我们需要回答的问题,以了解特定材料的特性来自何处,而这反过来对于设计未来的材料而言是无价的,”拉玛斯。“这种方法当然与石墨烯非常相关:只有一个原子薄,您需要这些能力来研究它。”
尽管有更远的地方,但这项研究产生的独特可能性是,能够采用新方法雕刻石墨烯或二维碳片。
Ramasse说:“人们已经证明,根据石墨烯的形状,石墨烯纳米结构(例如纳米带)具有更奇异的特性。” “因此,如果我们有一种控制蚀刻过程的方法,以可控的方式在石墨烯上钻孔,以使其在原子级上雕刻,还可以使其重新生长成新的形状,或者填充一些过大的孔,这为我们的纳米技术工具箱增加了很多灵活性。”

他警告说,尽管石墨烯已经被媒体曝光,以致于该领域研究人员的主要挑战是要实现他们所创造的期望。“这些惊人的材料特性必须在‘现实世界‘的实际应用中使用,而在没有石墨烯的情况下无法使用的新型,更强大的设备中。尽管基于石墨烯的设备开始出现在这里和那里,但仍然存在着一个问题。在它进入我们的日常生活之前,还有很长的路要走-可能是因为我们对此还不了解很多。”

信息来源:Nanowerk


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