Ранее известные материалы всегда были трехмерными - пока несколько лет назад не были открыты двумерные материалы. Ученые Андре Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию по физике 2010 года за исследование графена, двумерной модификации чистого углерода. «Особенность этих материалов в том, что они имеют толщину всего в один атомный слой, что означает, что они практически состоят только из поверхности», - объясняет профессор Уве Хартманн, физик-экспериментатор из Саарского университета. В результате они имеют совершенно другие физические свойства, чем их обычные трехмерные родственники. Впервые стало возможным охарактеризовать механические свойства таких материалов.
Уникальные свойства обнаружены
«Электронные свойства некоторых конфигураций впечатляют: электроны внутри материалов следуют законам теории относительности, что принципиально не так в обычных материалах. Здесь есть интересные преимущества для электронных компонентов, которые могут быть сделаны из двумерных материалов », - объясняет Хартманн. Механические свойства также уникальны. «Некоторые конфигурации материалов показывают стабильность, которая - с точки зрения их толщины - намного больше, чем у самых стабильных трехмерных материалов», - говорит он.
Большая часть информации о свойствах новых материалов сегодня поступает из симуляционных расчетов. «Пока что двумерные материалы можно обрабатывать только как тонкие пленки на поверхности трехмерных материалов. Однако свойства всей системы неизбежно определяются трехмерным материалом », - объясняет физик-экспериментатор. В сотрудничестве с Институтом новых материалов им. Лейбница его кафедре исследований наноструктур удалось непосредственно измерить механические свойства атомно-тонких модификаций углерода в форме самонесущих мембран.
«Это позволяет нам напрямую сравнивать данные из симуляционных расчетов с экспериментальными результатами», - говорит Хартманн. Ученые надеются, что двумерные материалы сделают инновации во многих областях - от датчиков и исполнительных механизмов до технологий фильтрации и топливных элементов: поэтому результаты и процессы исследователей в Саарбрюккене представляют интерес для многих областей исследований.
Сделать отдельные атомы видимыми через туннельный ток
Ученые использовали монослои графена на подложке, которая имела правильное расположение отверстий. «Отверстия были около одного микрона в диаметре. С помощью сканирующего туннельного микроскопа мы смогли проанализировать самонесущие мембраны над отверстиями с атомной точностью », - объясняет он.
«Когда электрическое напряжение прикладывается между наконечником в форме наконечника сканирующего туннельного микроскопа и тонкой графеновой пленкой с атомной тонкостью, протекает электрический ток», - продолжает Хартманн. Этот так называемый туннельный ток зависит от расстояния между зондом и образцом и от распределения электронов в пленке графена. «Мы используем это, чтобы сделать видимыми отдельные атомы: туннельный ток изменяется, пока зонд направляется в сетке над материалом».
Ученые используют еще один эффект: электрическое напряжение, приложенное между зондом и образцом, оказывает воздействие на самонесущую графеновую мембрану, и она начинает выпирать. «Мы смогли напрямую продемонстрировать предполагаемые необычные механические свойства, записав диаграммы напряжения-деформации, даже несмотря на то, что задействованные силы были чрезвычайно малы с миллиардной долей Ньютона по сравнению с обычными измерениями», - объясняет физик-экспериментатор. Исследователи также показали, что «самонесущие мембраны не находятся в состоянии покоя, как мембрана литавр, когда вы не воздействуете на них, а скорее напоминают поверхность озера:Они имеют широкий спектр волновых движений и отражают каждое внешнее возмущение в виде новых возбужденных волн ».