Измерение механических характеристик графенового слоя

 


Недавно семейство наноуглеродных материалов пополнилось еще одним представителем – графеном. Эта двумерная структура представляет собой фрагмент графитовой плоскости, выложенной правильными шестиугольниками, в вершинах которых находятся атомы углерода.

Возможность существования графенов обсуждалась уже много десятилетий назад, однако лишь в последние годы удалось не только выделить в чистом виде эти необычные структуры, но и научиться получать их в значительных количествах. Это позволило перейти от теоретических исследований физико-химических свойств графенов к постановке экспериментов, которые могли ответить на вопрос, в какой степени эти свойства соответствуют результатам модельных расчетов. В частности, расчеты, выполненные на квантовом уровне, указывают на аномальные механические характеристики графенов. Так, согласно этим расчетам, графены должны обладать аномально высоким значением модуля Юнга (на уровне терапаскалей). Такое свойство, однако, присуще лишь графенам, не имеющим структурных дефектов, поэтому лишь прямые измерения могли бы в полной мере прояснить этот вопрос.

До сих пор очевидные технические трудности, возникающие при попытке экспериментального исследования графенов, толщина которых составляет порядка ангстрема, препятствовали проведению таких работ. Недавно группа ученых из Колумбийского Университета в Нью-Йорке (США) провела тончайший эксперимент по определению упругих свойств и прочности на разрыв графенов. В качестве подложки они использовали кремниевую пластину, покрытую эпислоем SiO2 толщиной 300 нм. В пластине сделали круглые отверстия глубиной 500 нм и диаметром 1 и 1,5 мкм, образующие на пластине двумерную матрицу.

Затем на подложку механическим способом нанесли графитовые чешуйки, некоторые из которых представляли собой однослойные графеновые структуры, покрывающие отверстия подобно мембранам. Это устанавливалось на основании анализа спектров комбинационного рассеяния, а также наблюдений с помощью атомного силового микроскопа (АСМ). Наблюдения показывают, что отдельные графеновые слои в результате адгезии прикрепляются к вертикальной стенке отверстия, причем контакт происходит на длине 2 – 10 нм.

Механические свойства зафиксированных таким образом графенов исследовались с помощью АСМ, оснащенного кантилевером с алмазным наконечником радиусом 27,5 либо 16,5 нм. Исследование механических характеристик производилось при постоянной скорости передвижения наконечника в прямом и обратном направлении, причем цикл измерений многократно повторялся. При измерениях не наблюдался гистерезис, что указывает на упругий характер нагрузки. Результаты измерений механических характеристик, произведенных на одном образце в разное время либо на различных образцах, полностью воспроизводятся. Усредненная по многим образцам величина модуля Юнга графена, определенная на основании измеренного линейного соотношения между растягивающей нагрузкой и величиной растяжения, оказалась равной (1 ± 0,1) ТПа. Это значение по порядку величины близко к результату измерений соответствующего параметра для бездефектных углеродных нанотрубок. Величина прочности на разрыв определялась на основании прямых измерений нагрузки, сопровождающейся разрушением графена.

Результат оценки этого параметра зависит от предполагаемого значения толщины графенового слоя. В предположении, что толщина графенового слоя равна 0,335 нм, величина прочности на разрыв составляет 130 ± 10 ГПа при предельном значении относительного растяжения 0,25. Приведенные чрезвычайно высокие механические характеристики графенов свидетельствуют о больших возможностях потенциального использования этого материала в нанотехнологиях.

А.В.Елецкий

Источник: NanoNewsNet