Крошечные графеновые складки создают удивительно мощные электрические эффекты

Фото из открытых источников

Исследователи из Университета Райса обнаружили, что крайне маленькие складки графена могут влиять на электрическое поведение материала. Результаты предоставляют экспериментальные доказательства существования флексоэлектричества — эффекта, при котором неравномерное изгибание приводит к развитию электрического заряда в материале. Результаты опубликованы в журнале Advanced Materials.

Работа указывает на возможный новый способ управления электричеством в материалах толщиной всего несколько атомов. Вместо того чтобы менять материал с помощью химических веществ или комбинирования с чем-то другим, учёные могут настраивать его электрические свойства, просто меняя форму. В будущем эта стратегия может способствовать созданию более чувствительных датчиков и чрезвычайно тонких электронных устройств.

«Наша работа показывает, что даже обычная морщина может стать необыкновенным электронным элементом при рассмотрении на атомном уровне», — сказал Пуликель Аджаян, профессор инженерии имени Бенджамина М. и Мэри Гринвуд Андерсон и соавтор исследования. «Доказывая, что одна только геометрия может менять электрическое поведение графена, мы открываем новый путь для проектирования материалов, свойства которых можно контролировать с помощью структуры, а не химии.»

Изучение графена в атомном масштабе

Графен состоит из одного слоя атомов углерода. В этом исследовании учёные сосредоточились на морщинах, которые естественным образом образовались в материале. Некоторые изгибы были сжаты в области меньше миллиардной доли метра. На таком масштабе сильная кривизна может вызвать лёгкое смещение электронов в сторону графена.

«Представьте, что вы сгибаете гибкую линейку, но изгиб сжимается в пространство меньше миллиардной доли метра», — сказал Сатвик Аджай Айенгар, бывший аспирант Райс и ведущий автор исследования. «На таком масштабе электроны в графене слегка смещаются в сторону, создавая две противоположные электрические стороны, как концыкрошечной батарейки.»

Для изучения эффекта команда использовала специализированные микроскопические зонды для картирования формы складок и измерения локальной электрической энергии и тока. Исследователи также использовали рамановскую спектроскопию — лазерный метод, который показывает, как атомы растягиваются или сжимаются. Компьютерные моделирования помогли предсказать, как изгиб должен влиять на движение электронов.

Сравнивая сильно изогнутые морщины с близлежащими участками плоского графена, исследователи смогли отделить электрические эффекты, вызванные кривизной, от других возможных факторов.

«Ранние исследования часто изучали более мягкие изгибы или полагались на внешнее давление, что затрудняло отделить этот тонкий эффект», — сказал Айенгар. «Сравнение резко изогнутых складок с плоским графеном позволило нам чётко определить роль экстремальной кривизны.»

Острые морщины вызывают сильные электрические эффекты

Команда обнаружила, что графеновые складки ведут себя скорее как ряды крошечных электрических лежачих полицейских. На их резко изогнутых кончиках складки изменяли местную электрическую энергию. После подачи примерно одного вольта электричества исследователи постоянно фиксировали электрический ток. Измерения очень точно соответствовали прогнозам компьютерных моделей.

Сила ответа была теснее связана с острой каждой складкой, чем с её высотой. Исследователи оценили, что полученная поляризация была в 100 000–10 миллионов раз сильнее, чем поляризация, наблюдаемая в гораздо более крупных флексоэлектрических системах. Поляризация — это разделение положительных и отрицательных электрических зарядов внутри материала.

«Острота морщины оказалась гораздо важнее её общего размера», — сказал Айенгар. «Это говорит нам, что мы можем потенциально настраивать электрическое поведение, тщательно контролируя кривизну на наноуровне.»

Прогноз 2008 года получил экспериментальную поддержку

Истоки открытия уходят корнями в 2008 год. В то время теоретический физик Венсан Мёнье предсказал, что резко изгибающийся графен может перестраивать его электроны и создавать электрический отклик. Мёнье, ныне занимающий кафедру П. Б. Бренемана и заведующий кафедрой инженерных наук и механики Пенсильванского государственного университета, является соавтором нового исследования.

Однако при первом предсказании измерить такой эффект через изгибы шириной всего в несколько атомов было крайне сложно.

Годы спустя Айенгар вновь изучил данные, собранные им вместе с Маноджем Трипати, соавтором-корреспондентом из Университета Сассекса, ныне в South Dakota Mines. Он заметил необычные электрические сигналы, появляющиеся на самых резких графеновых морщинах, и поделился результатами с Менье, который был со-консультантом его докторской работы.

«Когда Сатвик показал мне измерения, которые он и Маной собрали, мы поняли, что необычные сигналы могут дать экспериментальную связь с идеей, которую мы предсказывали много лет назад», — сказал Менье. «Объединение экспериментов и атомных расчётов позволило нам напрямую проверить эту связь.»

Новый путь к ультратонкой электронике

Эти результаты дают исследователям возможность выяснить, можно ли использовать целенаправленное управление кривизной графеновых складок для корректировки электрических свойств материала. Если этот подход окажется практичным, он может в будущем помочь учёным разработать более чувствительные датчики и ультратонкие электронные устройства.

Вместо того чтобы рассматривать морщины только как несовершенства, исследователи могут использовать их как функциональные признаки, геометрия которых помогает определить, как ведёт себя электричество.

«Природа уже создаёт для нас эти крошечные морщинки», — сказал Айенгар. «Понимание того, как они влияют на электрическое поведение, даёт учёным ещё один инструмент для проектирования будущих технологий с использованием структуры самого материала.»