Надзвичайно малі й різко зігнуті зморшки в графені можуть кардинально змінювати його електричну поведінку, створюючи дуже сильне розділення зарядів. Про це повідомляють дослідники з Університету Райса, на яких посилається ScienceDaily. Відкриття свідчить, що майбутню електроніку можна буде налаштовувати, змінюючи форму матеріалу на атомному рівні, а не його хімічний склад.
Геометрія замість хімії
Команда з Університету Райса експериментально підтвердила явище флексоелектрики в графені — ефекту, за якого нерівномірне згинання змушує матеріал набувати електричного заряду. Робота опублікована в журналі Advanced Materials.
Замість того щоб змінювати матеріал за допомогою домішок чи поєднання з іншими речовинами, дослідники показали, що його електричні властивості можна «налаштовувати» лише за рахунок форми. У перспективі це може стати основою для чутливіших сенсорів і надтонких електронних пристроїв.
«Наша робота показує, що навіть звичайна зморшка може стати надзвичайною електронною структурою, якщо подивитися на неї в атомному масштабі», — зазначає Пулікел Аджаян (Pulickel Ajayan), професор інженерії та один із кореспондентів дослідження. За його словами, демонстрація того, що сама геометрія здатна змінювати електроповедінку графену, відкриває новий шлях до створення матеріалів, властивості яких контролюються структурою, а не хімією.
Як досліджували зморшки в одношаровому графені
Графен — це один шар атомів вуглецю. У цій роботі вчені зосередилися на зморшках, які виникають у матеріалі природним чином. Деякі вигини виявилися стиснутими до ділянок менших за мільярдну частку метра. На такому масштабі різка кривизна змушує електрони трохи зміщуватися в один бік.
Провідний автор роботи, колишній аспірант Райса Сатхвік Аджай Ієнгар (Sathvik Ajay Iyengar), порівнює це з гнучкою лінійкою, яку різко згинають, але в просторі менше нанометра. У такій зморшці електрони зміщуються, створюючи дві протилежні електричні сторони — наче полюси крихітної батарейки.
Щоб дослідити ефект, команда використала спеціальні зондові мікроскопи для картування форми зморшок і вимірювання локальної електричної енергії та струму. Додатково застосували раманівську спектроскопію — лазерний метод, який показує, як атоми розтягуються або стискаються.
Комп’ютерне моделювання допомогло передбачити, як згинання має впливати на рух електронів. Порівнюючи сильно зігнуті зморшки з сусідніми плоскими ділянками графену, дослідники змогли відокремити електричні ефекти, спричинені саме кривизною, від інших можливих чинників.
За словами Ієнгара, попередні роботи часто вивчали м’якші вигини або покладалися на зовнішній тиск, через що тонкий ефект було важко виокремити. Контраст між різко зігнутими зморшками та плоским графеном дозволив чітко виявити роль екстремальної кривизни.
«Електричні лежачі поліцейські» на наномасштабі
Виявилося, що зморшки в графені поводяться як ряди крихітних електричних «лежачих поліцейських». У своїх найгостріших точках вони змінюють локальну електричну енергію. Коли до системи прикладали приблизно один вольт напруги, дослідники стабільно реєстрували електричний струм.
Отримані вимірювання добре збігалися з прогнозами комп’ютерних моделей. Сила відгуку виявилася пов’язаною значно більше з різкістю зморшки, ніж з її висотою. Команда оцінила, що поляризація — тобто розділення позитивних і негативних зарядів усередині матеріалу — була від у 100 тисяч до 10 мільйонів разів сильнішою, ніж у значно більших флексоелектричних системах.
«Гострота зморшки виявилася набагато важливішою за її загальний розмір, — пояснює Ієнгар. — Це означає, що ми потенційно можемо налаштовувати електричну поведінку, точно контролюючи кривизну на нанорівні».
Передбачення 2008 року отримало підтвердження
Корені цього відкриття сягають 2008 року, коли теоретичний фізик Венсан Меньє (Vincent Meunier) передбачив, що різкий згин графену може перебудувати його електрони й викликати електричний відгук. Нині Меньє — голова кафедри інженерних наук і механіки в Пенсільванському університеті штату та співкореспондент дослідження.
На той час виміряти такий ефект на вигинах завширшки лише кілька атомів було надзвичайно складно. Значно пізніше Ієнгар повернувся до даних, які зібрав разом із Маноджем Тріпаті (Manoj Tripathi), ще одним співкореспондентом роботи. Він помітив незвичні електричні сигнали саме в найгостріших зморшках графену й поділився результатами з Меньє, який був його науковим керівником.
Коли Ієнгар і Тріпаті показали вимірювання, стало зрозуміло, що ці сигнали можуть стати експериментальним підтвердженням давнього теоретичного прогнозу. Поєднання експерименту та розрахунків на атомному рівні дозволило безпосередньо перевірити цю ідею.
Шлях до надтонкої електроніки
Результати дають дослідникам новий інструмент: тепер можна перевіряти, чи здатне цілеспрямоване керування кривизною зморшок у графені використовуватися для точного налаштування його електричних властивостей.
Якщо цей підхід виявиться практичним, він може допомогти створювати більш чутливі сенсори та ультратонкі електронні пристрої. Зморшки в матеріалі тоді розглядатимуться не як дефекти, а як функціональні елементи, геометрія яких визначає, як поводиться електрика.
«Природа вже створює для нас ці крихітні зморшки, — каже Ієнгар. — Розуміння того, як вони впливають на електричну поведінку, дає вченим ще один інструмент для проєктування майбутніх технологій, що спираються на саму структуру матеріалу».
Серед співавторів роботи — Джеймс МакГʼю (James McHugh) з Університету Манчестера, Джонатан Селвідж (Jonathan Salvage) з Університету Брайтона, Роберт Вайтай (Robert Vajtai) з Університету Райса, Венкатарамана Гадхамшетті (Venkataramana Gadhamshetty) з Південно-Дакотської школи гірничої справи та технологій, а також співкореспондент Алан Долтон (Alan Dalton) з Університету Сассекса. Дослідження підтримали кілька наукових фондів і програм, зокрема Національний науковий фонд США.