Спустя почти 20 лет физики наконец обнаружили в графене эффект, предсказанный еще давно
Научное предсказание, сделанное почти 20 лет назад, получило экспериментальное подтверждение. Оно раскрывает, как атомная структура графена может открыть новые возможности для создания передовых сенсоров и электронных устройств.
Даже небольшая складка в графене — шириной всего в несколько атомов — способна кардинально изменить поведение электричества в этом материале. Ученые зафиксировали данный эффект в местах особо резких изгибов, предоставив экспериментальное доказательство явления, предсказанного около двух десятилетий назад.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Advanced Materials, указывают на то, что в будущем исследователи смогут управлять электрическими свойствами материала, изменяя его форму, а не химический состав. Графен — невероятно прочный и электропроводный материал, представляющий собой однослойную структуру из атомов углерода, — уже активно изучается как перспективный компонент для аккумуляторов, компьютерных чипов и других высокотехнологичных электронных устройств.
Как крошечные складки меняют электрические свойства графена
Этот эффект называется «флексоэлектричеством» (гибким электричеством); он возникает, когда неравномерный изгиб приводит к разделению электрических зарядов внутри материала. В графене сильная кривизна может смещать электроны к одной из сторон его атомарно тонкой структуры, создавая электрический диполь с областями, обладающими противоположными зарядами.
Исследователи изучили естественные складки, наиболее резкие изгибы которых были сжаты в пространстве шириной всего в несколько атомов — менее миллиардной доли метра (около 0,00000004 дюйма). Выяснилось, что острота складки играет гораздо более важную роль, чем ее общая высота. Согласно расчетам, такие сильно изогнутые участки создают электрическую поляризацию, которая в 100 000 – 10 миллионов раз сильнее, чем поляризация, возникающая при более крупных и плавных изгибах.
«Оказалось, что острота складки гораздо важнее, чем ее общий размер, — отмечает ведущий автор работы Сатвик Аджай Айенгар, получивший докторскую степень в Университете Райса и в настоящее время работающий в Калифорнийском университете в Беркли. — Это говорит о том, что мы потенциально можем настраивать электрические характеристики материала, точно контролируя его кривизну на наноуровне».
Научное предсказание, на подтверждение которого ушло почти 20 лет
Теоретическая основа этого открытия была заложена почти два десятилетия назад. Венсан Менье, ныне возглавляющий кафедру инженерных наук и механики в Университете штата Пенсильвания, и Сергей В. Калинин, работающий сейчас в Университете Теннесси, в своей статье для журнала Physical Review B предсказали, что резкий изгиб графена может привести к перераспределению электронов и возникновению электрического отклика. В то время изготовить достаточно чистые образцы было сложно, что не позволяло исследователям экспериментально проверить это предсказание.
Прорыв произошел, когда Сатвик Айенгар повторно проанализировал экспериментальные данные, собранные совместно с коллегой Маноджем Трипатхи (ныне работающим в Южно-Дакотской школе горного дела и технологий). Их измерения выявили необычные электрические сигналы, сосредоточенные в местах наиболее резких складок графена. Айенгар представил эти результаты Менье, который был одним из научных руководителей его докторской диссертации.
«Когда Сатвик показал мне измерения, полученные им вместе с Маноджем, мы поняли, что эти необычные сигналы могут служить экспериментальным подтверждением идеи, которую мы выдвинули много лет назад, — рассказал Менье. — Я рассчитал ожидаемый эффект для данной конкретной геометрии и сравнил его с результатами эксперимента — совпадение оказалось практически идеальным».
Измерение электрических характеристик в местах атомно-острых изгибов
Для изучения этого механизма исследовательская группа применила комплекс методов: специализированную микроскопию, лазерные измерения и компьютерное моделирование. С помощью зондов микроскопа ученые определили форму складок, а также локальную электрическую энергию и силу тока, а метод рамановской спектроскопии позволил выявить участки, где атомы графена были растянуты или сжаты. Моделирование, выполненное на суперкомпьютере Roar в Университете штата Пенсильвания, помогло предсказать, как экстремальные изгибы влияют на поведение электронов.
Сравнение резко изогнутых складок с соседними плоскими участками графена позволило исследователям выделить влияние кривизны, исключив воздействие других факторов. В вершинах складок изменялась локальная электрическая энергия, и при подаче напряжения около одного вольта неизменно возникал электрический ток. Эти наблюдения хорошо согласуются с теоретическими расчетами и результатами моделирования, проведенными группой.
По сути, складки выступали в роли микроскопических препятствий для переноса заряда. Их сильная кривизна меняла локальную электронную среду, что доказывает: флексоэлектрический эффект может вызывать значительный отклик даже в материале толщиной всего в один атом. Поскольку для возникновения тока требовалось внешнее напряжение, данные результаты не означают генерацию электроэнергии без внешнего источника питания.
На пути к электронике, управляемой формой
Полученные результаты указывают на возможный способ регулирования электрических свойств ультратонких материалов посредством точно контролируемого изгиба. В будущем устройства могут использовать это явление для создания более чувствительных датчиков или электронных компонентов, отклик которых зависит от геометрии наноразмерного уровня.
«Природа сама создает для нас эти крошечные складки, — говорит Айенгар. — Понимание того, как они влияют на электрические свойства, дает ученым еще один инструмент для разработки технологий будущего, в которых используется сама структура материала».
