Forskere foreslår 3D grafen-lignende hyper-bikagestrukturer

(Phys.org) – Forskere har foreslået en ny familie af strukturer, der er tredimensionelle (3D) variationer af grafen, det enkleste eksempel kaldes en "hyper-honeycomb". Hvis de foreslåede strukturer eksperimentelt kan realiseres, de nye måder at arrangere kulstofatomer på ville føje til det stadigt voksende antal nye kulstofallotroper. Forskerne forudsiger også, at blandt dets interessante egenskaber, hyper-honeycomb kunne potentielt være endnu mere stabil end diamant.

Forskerne, Kieran Mullen, Bruno Uchoa, og Daniel T. Glatzhofer ved University of Oklahoma, har udgivet et papir om den foreslåede hyper-honeycomb og relaterede strukturer i et nyligt nummer af Fysiske anmeldelsesbreve .

Grafen beskrives ofte som havende en bikage- eller kyllingetrådsstruktur, fordi det består af kulstofatomer arrangeret i et enkeltlags tykt sekskantet gitter. I denne 2D-struktur, hvert kulstofatom er forbundet med tre andre kulstofatomer. Den resulterende "plane trigonale forbindelse" bidrager til grafens unikke egenskaber, især dens elektriske egenskaber, der gør den til en fremragende halvleder.

Som forskerne forklarer, den trigonale forbindelse af grafen frembringer noget usædvanligt:​​det får en elektrons energi til at variere lineært med momentum, hvilket får elektronerne til at efterligne elektronernes adfærd, der bevæger sig tæt på lysets hastighed. De momentaværdier, hvor denne adfærd opstår, kaldes "Dirac-punkter" efter Dirac-ligningen, der beskriver relativistiske elektroner. De fleste materielle strukturer, kulstof eller andet, indeholder ikke Dirac-punkter. Denne lineære adfærd har stor indflydelse på, hvordan elektronerne opfører sig, påvirker deres spredning og deres interaktioner med vibrationer i gitteret.

Her, forskerne undersøgte, hvad der sker, når Dirac-punkterne i en kulstofbaseret plan trigonal struktur udvides ind i tredimensionelt rum for at danne Dirac-løkker. Dirac loops er ikke så godt forstået som Dirac point, fordi, i modsætning til Dirac-punkter, der deler ligheder med relativistiske elektroner, Dirac-løkker har ikke en relativistisk analog. Til dato, Dirac-løkker er aldrig blevet observeret eksperimentelt, og er kun blevet forudsagt at eksistere i nogle få finjusterede materialer.

Forskernes analyse afslørede, at Dirac-løkker teoretisk kan dannes, når kæder af trigonalt forbundne carbonatomer er stablet vinkelret på hinanden. Dette arrangement adskiller sig fra grafit, som også er en 3D-form for grafen, men i grafit er lagene af grafen stablet oven på hinanden som en stak papir.

De foreslåede vinkelret stablede kæder kan have mange forskellige dimensioner på grund af de forskellige mulige kombinationer af lodrette og vandrette honeycomb-sekskanter i enhedscellen i hver kæde. For eksempel, det enkleste eksempel, hyper-honningkagen, består af kun to carbonatomer i hver lodret og vandret kæde. Med sine lodrette og vandrette lag, hyper-honeycomb gitteret minder lidt om hylder i en lille tosidet reol.

"Betydningen af ​​vores arbejde er dobbelt, " fortalte Mullen Phys.org . "Først, dette er det første simple system til at vise Dirac-løkker. Dirac-løkker er en adfærd, der endnu ikke er set i elektroniske systemer. Eksistensen af ​​en sådan sløjfe ville have stærke effekter på, hvordan elektroner strømmer gennem systemet, og på hvordan de opfører sig i nærvær af et magnetfelt.

"Sekund, systemet fører til et væld af relaterede systemer, der alle ville have lignende, usædvanlig adfærd. Nogle er andre kulstofstrukturer, andre er forskellige fysiske systemer (f.eks. et optisk gitter af kolde gasatomer), der er forbundet på lignende måde. Vi kan finde yderligere usædvanlig adfærd, når vi udforsker systemernes 'zoo'."

Som forskerne forklarede, 3D-strukturen kan også gøre hyper-honeycomb-allotroperne ekstremt stabile - endnu mere end diamant eller grafit.

"Stabilitet kan være vanskelig, " sagde Mullen, henviser til, hvordan stabilitet defineres. "Diamant er stærkere end grafit, men 'mindre stabil' ved, at det ikke er den form for kulstof med den laveste energi. Det er 'metastabilt' i og med, at du skulle vente utrolig længe, ​​før det hver gang spontant ville ændre sig!

"Vi ved, at H0 [hyper-honeycomb] strukturen er metastabil - enhver lille deformation af strukturen hæver energien. Vi ved, at det ville være svært for systemet at finde en måde at omarrangere sig til ethvert andet gitter. forsøger at beregne 'hårdhed' og 'styrke'. Grafen er stærkt (det er svært at rive i stykker) ved ikke hårdt (det kan strækkes). Vi vil vide mere om materialets egenskaber til sommer."

Forskerne forventer, at syntetisering af denne nye familie af kulstofallotroper vil være udfordrende, men muligt med den nuværende teknologi. Syntese kan kræve doping af kulstofkæder ved at substituere andre atomer, såsom thallium, for nogle af kulstofatomerne for at lette dyrkningen af ​​de foreslåede strukturer. Desuden, selvom disse strukturer ikke kan realiseres i kulstof, de kan være skabt i optiske gitter af kolde gasatomer, eller måske i andre nanostrukturer, der producerer lignende sløjfer.

"Først, vi vil yderligere udforske 'zoo'en af ​​disse gitter, " sagde Mullen. "Dette involverer beregning af deres varmeledningsevne, stivhed, udbyttestyrke, og magneto-ledningsevne. Sekund, vi vil gå ud over dette simple enkelt-elektron billede af disse systemer. Tredje, vi vil arbejde med samarbejdspartnere, der ønsker at syntetisere disse materialer."

© 2015 Phys.org