В материалах всегда присутствуют дефекты атомного масштаба. Для обычных материалов они скрыты внутри большого количества идеально расположенных атомов, за исключением поверхности.
Однако в случае низкоразмерных материалов, таких как графен, ситуация иная.Графен представляет собой сотовую структуру атомов углерода толщиной всего в один атом углерода. С момента его открытия в 2004 году было измерено несколько замечательных свойств этого материала.
Например, он прочнее алмаза и проводит электричество лучше, чем медь, но, тем не менее, прозрачен и необычайно гибок. Поскольку все атомы в графене находятся на поверхности, отдельные атомы и любые дефекты в структуре непосредственно видны в электронный микроскоп высокого разрешения, но в то же время они легко взаимодействуют с окружающей средой.
Дефект, на котором сосредоточились исследователи в недавнем исследовании в Вене, — это двойная вакансия, которая образуется, когда в кристалле отсутствуют два атома. В наиболее устойчивой форме этого дефекта шестиугольники решетки графена трансформируются в расположение из четырех пятиугольников и четырех семиугольников (пяти- и семичленные углеродные кольца соответственно), которое выглядит как бабочка атомного масштаба. Исследование проводилось с помощью микроскопа Nion UltraSTEM 100, который был установлен в Вене только в прошлом году.
Комбинация сверхвысокого вакуума и низкого ускоряющего напряжения этого устройства была ключевой составляющей успеха исследования. В более ранних экспериментах дефекты всегда быстро превращались в более сложные структуры или превращались обратно в кристаллический графен, что препятствовало непрерывному отображению их диффузии в течение длительных периодов времени. Теперь дефекты оставались стабильными в течение более длительного периода времени, что позволило провести статистический анализ их движения.
Исследователи использовали электронный луч микроскопа, чтобы преобразовать дефект между различными схемами, что привело к миграции структуры от одного изображения к другому. «Было замечательно впервые увидеть, как дефект трансформируется и мигрирует в кристалле в течение нескольких минут, пока мы наблюдаем за ним», — говорит доктор Яни Котакоски, ведущий автор исследования. Тщательный анализ пути дефекта показал, что дефект совершил случайное блуждание по кристаллу. «Наше исследование открывает новый путь прямого изучения миграции и диффузии дефектов в низкоразмерных материалах, что также может привести к новому пониманию динамики дефектов в твердых телах в целом», — заключает он.