Ultralydsteknik afslører identiteten af ​​grafit

En gruppe forskere fra Osaka University, i samarbejde med Kaneka Corporation, evaluerede grafens interplanare bindingsstyrke ved at måle den elastiske konstante af grafit, viser, at den elastiske konstant af monokrystallinsk grafit (figur 1, øverst) var over 45 gigapascal (GPa), som var højere end man normalt troede. Deres forskningsresultater blev offentliggjort i Physical Review Materials.

Grafit består af lag af grafen, og lagene er bundet via svage van der Waals (vdW) kræfter, en allestedsnærværende attraktion mellem alle molekyler. Det blev antaget, at den elastiske konstant af grafitkrystal ikke oversteg 40 GPa.

Dette skyldes, at de elastiske konstanter opnået ved forsøg med kunstig, meget orienteret pyrolytisk grafit (HOPG) var lave på grund af strukturelle defekter i grafitten (som eksemplificeret i figur 1, bund) og teoretiske beregninger viste også, at den elastiske konstant af grafit var mindre end 39 GPa.

Da en direkte egenskab ved en interplanar interaktion er den elastiske konstant langs grafitens c -akse, som afspejler styrke mellem mellemlaget, den elastiske konstant af grafit er blevet brugt til at validere foreslåede teoretiske tilgange, og dens nøjagtige måling er afgørende for grundig forståelse af vdW -interaktioner.

I dette studie, Kaneka Corporation skabte en defektfri monokrystallinsk grafit af høj kvalitet ved opvarmning af tyndfilm med høj orientering af polyimid ved høje temperaturer; imidlertid, det var meget vanskeligt at måle elastikkonstanten for denne krystal (10 um i diameter, 1μm i tykkelse) langs tykkelsesretningen.

Dermed, for eksperimentelt at opnå den elastiske konstant af grafit, ved hjælp af picosekund laser ultralydspektroskopi, denne gruppe påførte en laser med 1 μm i diameter på overfladen af ​​en flerlags grafen i en 10 billioner sekunder af et sekund for at generere ultralydfrekvent ultralyd. Ved nøjagtigt at måle den langsgående bølges lydhastighed langs tykkelsesretningen, de opnåede den elastiske konstant.

Selvom det var blevet antaget, at grafitens interplanare bindingsstyrke var meget svag, resultaterne af denne undersøgelse viste, at den havde en stærk bindingsstyrke:den elastiske konstant var næsten 50 GPa, hvilket ikke kan forklares med konventionelle teorier.

I dette studie, kortdistancekorrelationseffekten styrker selektivt den potentielle energioverflade (PES). Denne anharmoniske PES forbedrede grafitens elastiske konstant. Ved hjælp af ACFDT-RPA+U-metoden, de demonstrerede, at den elastiske konstant nåede 50 GPa på grund af den korte rækkevidde-korrelationseffekt.

Hovedforfatter KUSAKABE Koichi siger, "Vores forskningsgruppe viser, at grafit udviser sin overlegenhed i en meget krystallinsk tilstand. Vi har skabt høj kvalitet, højkrystallinitetsgrafit, som har stærkere interplanar bindingsstyrke end tidligere antaget. Anvendelse af ultralydsmålingsteknikker til denne defektfrie monokrystallinske grafit tynde film vil føre til produktion af meget følsomme sensorer til identifikation af biologisk stof, såsom proteiner, i ikke-destruktiv testning. "