石墨烯原子缺陷是如何形成的？

人們對石墨烯及其近親的許多性質(zhì)仍然知之甚少——原因很簡單，它們由原子組成，很難觀察到。阿姆斯特丹大學(xué)和紐約大學(xué)的一組研究人員現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)了一種解決這個(gè)問題的驚人方法。

由超薄單層原子晶體構(gòu)成的二維材料近年來引起了廣泛的關(guān)注。這種當(dāng)之無愧的關(guān)注主要是由于它們不同尋常的特性，與它們的三維“散裝”對應(yīng)物非常不同。石墨烯，最著名的代表，以及許多其他二維材料，現(xiàn)在都在實(shí)驗(yàn)室中深入研究。也許令人驚訝的是，對這些材料的特殊性能至關(guān)重要的是缺陷，即晶體結(jié)構(gòu)不完美的位置。在那里，原子層的有序排列被打亂，原子的配位發(fā)生局部變化。

可視化原子

盡管事實(shí)證明，缺陷對材料的性能至關(guān)重要，而且它們幾乎總是存在或故意添加，但對于它們是如何形成的以及它們是如何隨時(shí)間演變的，我們所知甚少。原因很簡單：原子太小，移動(dòng)太快，無法直接跟隨它們。

為了使類石墨烯材料的缺陷可觀察到，來自阿姆斯特丹大學(xué)物理研究所和紐約大學(xué)的研究人員團(tuán)隊(duì)找到了一種建立微米級原子石墨烯模型的方法。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們使用了所謂的“斑片狀顆?！薄＿@些粒子 ——大到足以在顯微鏡中容易看到，但又小到足以再現(xiàn)實(shí)際原子的許多特性——與石墨烯中的原子具有相同的配位相互作用，并形成相同的結(jié)構(gòu)。研究人員建立了一個(gè)模型系統(tǒng)，利用它來深入了解缺陷及其形成和隨時(shí)間的演變。他們的研究結(jié)果于近日發(fā)表在Nature Communications上。

構(gòu)建石墨烯

石墨烯由碳原子組成，每個(gè)碳原子有三個(gè)鄰居，排列成眾所周知的“蜂巢”結(jié)構(gòu)。正是這種特殊的結(jié)構(gòu)賦予了石墨烯獨(dú)特的機(jī)械和電子性能。為了在他們的模型中實(shí)現(xiàn)相同的結(jié)構(gòu)，研究人員使用了由聚苯乙烯制成的微小顆粒，并用3-(三甲氧基硅基)丙基或簡稱TPM的更小的材料貼片裝飾。TPM貼片的結(jié)構(gòu)模仿了石墨烯晶格中碳原子的配位。然后，研究人員使這些貼片具有吸引力，這樣粒子就可以相互形成鍵，再次類似于石墨烯中的碳原子。

在單獨(dú)放置幾個(gè)小時(shí)后，在顯微鏡下觀察這些“模擬碳”粒子，發(fā)現(xiàn)它們確實(shí)排列成蜂窩狀晶格。研究人員隨后更詳細(xì)地研究了模型石墨烯晶格中的缺陷。他們還觀察到，在這方面，模型是有效的：它顯示了原子石墨烯中也已知的特征缺陷圖案。與真正的石墨烯相反，該模型的直接觀察和長時(shí)間的形成使得物理學(xué)家可以從這些缺陷的形成開始，一直到融入晶格。

意想不到的結(jié)果

對石墨烯類材料生長的新看法立即導(dǎo)致了對這些二維結(jié)構(gòu)的新認(rèn)識。出乎意料的是，研究人員發(fā)現(xiàn)最常見的缺陷類型已經(jīng)在生長的初始階段形成，那時(shí)晶格尚未建立。他們還觀察到晶格失配是如何被另一個(gè)缺陷“修復(fù)”的，導(dǎo)致一個(gè)穩(wěn)定的缺陷配置，該缺陷配置要么保持，要么非常緩慢地進(jìn)一步愈合到更完美的晶格。

因此，該模型系統(tǒng)不僅可以在更大范圍內(nèi)重建石墨烯晶格，用于各種應(yīng)用，而且通過直接觀測還可以深入了解這類材料的原子動(dòng)力學(xué)。由于缺陷是所有原子薄材料的核心屬性，這些在模型系統(tǒng)中的直接觀察有助于進(jìn)一步設(shè)計(jì)原子對應(yīng)物，例如在超輕材料和光學(xué)和電子設(shè)備中的應(yīng)用。

編輯：黃飛