Крошечные складки графена создают мощные электрические эффекты

Исследователи из Университета Райса обнаружили, что крошечные складки в графене могут изменять электрические свойства материала. Результаты работы предоставляют экспериментальные доказательства флексоэлектричества — эффекта, при котором неравномерный изгиб вызывает появление электрического заряда в материале. Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.

Работа указывает на возможный новый способ управления электричеством в материалах толщиной всего в несколько атомов. Вместо изменения материала с помощью химических добавок или комбинирования с другими веществами, ученые могут настраивать его электрические свойства, просто меняя форму. В будущем эта стратегия может способствовать созданию более чувствительных датчиков и сверхтонких электронных устройств.

«Наша работа показывает, что даже обычная складка может стать необычной электронной особенностью, если смотреть на нее в атомном масштабе, — заявил Пуликель Аджаян, профессор инженерии и соавтор исследования. — Демонстрируя, что одна лишь геометрия может изменять электрическое поведение графена, мы открываем новый путь к созданию материалов, свойства которых контролируются структурой, а не химией».

Изучение графена в атомном масштабе

Графен состоит из одного слоя атомов углерода. В ходе исследования ученые сосредоточились на складках, которые естественным образом образовывались в материале. Некоторые изгибы были сжаты в области размером менее миллиардной доли метра. В таком масштабе интенсивная кривизна может заставить электроны слегка смещаться к одной стороне графена.

«Представьте, что вы сгибаете гибкую линейку, но изгиб сжат в пространство меньше миллиардной доли метра, — сказал Сатвик Аджай Айенгар, бывший аспирант Райса и ведущий автор исследования. — В таком масштабе электроны в графене слегка смещаются к одной стороне, создавая две противоположные электрические стороны, подобно концам крошечной батарейки».

Для изучения эффекта команда использовала специализированные микроскопические зонды для картирования формы складок и измерения локальной электрической энергии и тока. Исследователи также применили рамановскую спектроскопию — лазерный метод, показывающий, как растягиваются или сжимаются атомы. Компьютерное моделирование помогло предсказать, как изгиб должен влиять на движение электронов.

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

«Более ранние исследования часто рассматривали более пологие изгибы или полагались на внешнее давление, что затрудняло выделение этого тонкого эффекта, — отметил Айенгар. — Сравнение резко изогнутых складок с плоским графеном позволило нам четко определить роль экстремальной кривизны».

Резкие складки создают сильные электрические эффекты

Команда обнаружила, что складки графена ведут себя подобно рядам крошечных электрических «лежачих полицейских». На их резко изогнутых вершинах складки изменяли локальную электрическую энергию. После подачи напряжения около одного вольта исследователи стабильно регистрировали электрический ток. Измерения точно соответствовали предсказаниям компьютерных моделей.

Сила отклика была связана больше с остротой каждой складки, чем с ее высотой. Исследователи подсчитали, что результирующая поляризация была в 100 000–10 миллионов раз сильнее, чем поляризация, наблюдаемая в гораздо более крупных флексоэлектрических системах. Поляризация относится к разделению положительных и отрицательных электрических зарядов внутри материала.

«Острота складки оказалась гораздо важнее ее общего размера, — сказал Айенгар. — Это говорит нам о том, что мы потенциально можем настраивать электрическое поведение, тщательно контролируя кривизну в наномасштабе».

Предсказание 2008 года получило экспериментальное подтверждение

Истоки открытия восходят к 2008 году. Тогда физик-теоретик Винсент Менье предсказал, что резкий изгиб графена может перестроить его электроны и создать электрический отклик. Менье, ныне заведующий кафедрой инженерных наук и механики в Университете штата Пенсильвания, является соавтором нового исследования.

Однако когда предсказание было впервые сделано, измерение такого эффекта на изгибах шириной всего в несколько атомов было чрезвычайно сложной задачей.

Годы спустя Айенгар заново изучил данные, которые он собрал с Маноем Трипати из Университета Сассекса, и заметил необычные электрические сигналы, появляющиеся на самых резких складках графена. Он поделился результатами с Менье, который был его научным руководителем.

«Когда Сатвик показал мне измерения, которые он и Манодж собрали, мы поняли, что необычные сигналы могут обеспечить экспериментальную связь с идеей, которую мы предсказали много лет назад, — сказал Менье. — Объединение экспериментов и расчетов в атомном масштабе позволило нам напрямую проверить эту связь».

Новый путь к сверхтонкой электронике

Полученные результаты дают исследователям возможность изучить, можно ли использовать намеренный контроль кривизны складок графена для регулировки электрических свойств материала. Если этот подход окажется практичным, он в конечном итоге может помочь ученым разработать более чувствительные датчики и сверхтонкие электронные устройства.

Вместо того чтобы рассматривать складки только как дефекты, исследователи смогут использовать их как функциональные элементы, геометрия которых помогает определять поведение электричества.

«Природа уже создает эти крошечные складки для нас, — сказал Айенгар. — Понимание того, как они влияют на электрическое поведение, дает ученым еще один инструмент для проектирования будущих технологий, использующих структуру самого материала».

Исследование поддержано стипендией Quad Fellowship, Фондом развития стратегии Сассекса, стипендией Дам Кэтлин Оллереншоу Манчестерского университета и Национальным научным фондом.