Fysikere måler mekaniske egenskaber af 2-D monolag materialer

De tyndeste materialer, der kan fremstilles i dag, har tykkelsen af ​​et enkelt atom. Disse materialer - kendt som todimensionelle materialer - udviser egenskaber, der er meget forskellige sammenlignet med deres bulk tredimensionelle modstykker. Indtil for nylig, 2-D-materialer blev fremstillet og manipuleret som film på overfladen af ​​et passende 3-D-substrat. Arbejder i samarbejde med et team fra Leibniz Institute for New Materials, en gruppe fysikere ved Saarlands Universitet, ledet af professor Uwe Hartmann, er det for første gang lykkedes at karakterisere de mekaniske egenskaber af fritstående enkeltatom-tykke membraner af grafen. Målingerne blev udført ved hjælp af scanning tunneling mikroskopi (STM). Forskerne har offentliggjort deres resultater i fagtidsskriftet Nanoskala .

Todimensionelle materialer har kun været kendt i få år. I 2010 videnskabsmændene André Geim og Konstantin Novoselov blev tildelt Nobelprisen i fysik for deres forskning i materialet grafen – en todimensionel allotrop af rent kulstof. Efter denne opdagelse, en række andre 2-D materialer fremstillet af silicium eller germanium blev produceret og karakteriseret. "Det særlige ved disse materialer er, at de kun er et atom tykke - de er praktisk talt alle overflader, " forklarer professor Uwe Hartmann, en eksperimentel fysiker ved Saarlands Universitet. Som et resultat besidder de fysiske egenskaber, der er helt anderledes end deres mere konventionelle tredimensionelle slægtninge.

"De elektroniske egenskaber af nogle konfigurationer af grafen er spektakulære. Elektronerne i materialets indre er relativistiske, dvs. de adlyder relativitetsteoriens love, hvilket bestemt ikke er tilfældet for elektroner i konventionelle materialer. Dette antyder en række interessante fordele for elektroniske komponenter fremstillet af todimensionelle materialer, " siger Hartmann. De mekaniske egenskaber af disse 2-D materialer er også unikke. Ifølge Hartmann:"Nogle konfigurationer af disse todimensionelle materialer udviser en grad af mekanisk stabilitet, der er - i forhold til tykkelsen af ​​materialet - langt større end det set i de mest stabile tredimensionelle materialer." For at udnytte dette potentiale, EU etablerede sit Graphene Flagship-projekt i 2013. Med et forskningsbudget på 1 mia. € er det til dato EU's største forskningsinitiativ.

Imidlertid, oplysninger om de mekaniske egenskaber af disse nye materialer er hidtil blevet afledt af simuleringer. "Indtil nu, arbejde med todimensionelle materialer har betydet at arbejde med ultratynde film på overfladen af ​​et passende tredimensionelt substrat. Som resultat, egenskaberne af det overordnede system er uundgåeligt bestemt af det tredimensionelle materiale, " forklarer Hartmann. Arbejder i samarbejde med Leibniz Institute for New Materials (INM), som også er placeret på Saarbrücken campus, Hartmanns forskerhold ved Institut for Nanostrukturforskning og Nanoteknologi er for første gang lykkedes med direkte at måle de mekaniske egenskaber af en fritstående, enkeltatomlagsmembran af kulstofallotropen grafen.

"Vi er nu i stand til direkte at sammenligne data fra modelberegninger med vores eksperimentelle resultater. vi kan nu måle, hvordan forskellige defekter i membranens krystalgitter påvirker dens mekaniske egenskaber, " siger professor Hartmann. Disse todimensionelle materialer rummer betydelige løfter om innovative udviklinger inden for en række teknologiske sektorer fra sensorer og aktuatorer til filtersystemer og brændselsceller. Resultaterne og metoderne udviklet af teamet i Saarbrücken er derfor af stor interesse i talrige forskningsområder.

Forskerne i Saarbrücken brugte et grafen-monolag, der blev understøttet på et substrat med en regelmæssig række cirkulære huller. Hartmann forklarer opsætningen således:"Hullerne havde en diameter på omkring en mikrometer. Ved hjælp af et scanning tunneling microscope (STM) var vi i stand til at analysere den fritstående membran over hullerne med atomær præcision."

"Når en elektrisk spænding påføres mellem spidsen af ​​STM'en og den enkeltatom-tykke membran af grafen, en elektrisk strøm løber, " forklarer Hartmann. Denne nuværende, som er kendt som "tunnelstrømmen", er meget følsom over for afstanden mellem mikroskopspidsen og membranprøven og over for elektronfordelingen i grafenfilmen. "Vi bruger denne effekt til at gøre de enkelte atomer synlige. Tunnelstrømmen varierer, mens STM-spidsen scannes hen over materialet." Men forskerne gør også brug af en anden effekt. Når en spænding påføres mellem spidsen af ​​STM'en og prøven, en kraft virker på den fritstående grafenmembran og den begynder at bule ud mod spidsen. "Når tippet trækkes tilbage, det atomare tynde monolag buler endnu mere, da den effektivt bliver løftet op af atomisk præcise pincet. Måling af membranafbøjningen som funktion af den elektrostatiske trækkraft genereret af STM'en giver et spændings-belastningsdiagram, der giver os de vigtigste mekaniske egenskaber af grafenmembranen, " forklarer Hartmann.

"Ved at optage disse eksperimentelle stress-belastningsdiagrammer, vi har været i stand til direkte at verificere de ekstraordinære mekaniske egenskaber, der hidtil har været antaget for disse materialer. Og vi var i stand til at gøre dette ved at bruge kræfter i størrelsesordenen en milliardtedel af en Newton – langt, langt mindre end nogen kraft brugt i en konventionel mekanisk måling, " siger Hartmann. Forskerne var også i stand til at vise, at når en kraft blev påført en fritstående membran af grafen, membranen opførte sig ikke som den glatte hud af en kedel, men lignede meget mere den krusede overflade af en sø. Membranerne udviser en række bølgelignende bevægelser, og de reagerer på enhver ekstern forstyrrelse ved at generere nye krusninger i membranens overflade."