Свернутый в виде самолетика лист бумаги стремительно летит вверх. Еще несколько секунд назад недвижимо лежащий на столе и лениво падающий к полу, если вдруг кто-то невзначай столкнет его своим неловким движением. Это простой пример того, как в макромире сворачивание придает объекту не только новую форму, но и новые свойства. В наномире лист бумаги чем-то напоминает графен - моноатомный слой sp2 гибридизированных углеродных атомов. Его модуль Юнга (характеризующий способность материала сопротивляться упругой деформации при растяжении или сжатии) высок в продольном и низок в поперечном направлении. Это значит, что лист графена так же легко разорвать в поперечном направлении как и лист бумаги, проткнув его ручкой, и так же трудно в продольном, если тянуть его за край, пытаясь разорвать пополам. Складывание может привести к появлению интересных свойств в графене. В журнале Physical Review B американские ученые из университета города Беркли, Калифорния, рассказывают о том, как можно получить свернутый графен, а также о некоторых интересных свойствах, которые появляются у таких структур.
Свернутый графен они назвали графолдом (grafold, от англ. GRAphene - графен, FOLD - сворачивать). В работе были получены самые разнообразные структуры графолда от структуры с единственной складкой до периодических структур с несколькими складками. Однако свернуть графен можно не во всех направлениях. Это объясняется гексогональной структурой кристаллической решетки материала. На рис.1 показаны лишь некоторые возможные варианты. Направление линии изгиба определяется относительно вектора a1 - a2, где a1,a2 - обычные трансляционые векторы кристаллической решетки графена. Если угол изгиба θ не делится без остатка на 300, при складывании произойдет относительный поворот между листов графена (рис.1b).
Для сворачивания листа графена на нем необходимо обозначить линию изгиба. Это можно сделать с помощью рельефной подложки для формирования графена. Например, медной фольги толщиной 25 мкм. Рельеф создается методом электронно-лучевой литографии. Толщина получаемых линий от 1 до 2 мкм. В качестве резиста используют полиметилметакрилат, который после травления раствором Na2S2O8 удаляется ацетоном.
В работе был получен графолд с трехслойной складкой (рис.1h слева). На рис.2 представлены результаты просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) этого образца. На рис.2b отчетливо просматривается вертикальная светлая полоса (место наложения трех слоев). Светлые точки, беспорядочно расположенные на изображении, - это атомы или молекулы, которые или попали в складку, или адсорбировались на места изгибов в процесс приготовления образца. В дополнение к ПЭМ с помощью дифракционной микроскопии были получены изображения кристаллической решетки в трех областях графолда (однослойной, трехслойной и однослойной, рис. 2c,d,e соответственно). Как и ожидалось, трехслойная структура графолда подтвердилась. Это видно на рис.2d, на котором синими кружочками (линия В) обозначены атомы углерода внутреннего слоя, а красными (линия А, интенсивность точек больше, чем на первой и третьей картинке) - атомы углерода внешних слоев. Так как угол между линиями А и В мал и составляет всего 0,4 градуса, это значит, что линии изгиба почти параллельны друг другу, что хорошо согласуется с результатами ПЭМ.
Зачем же нужен графолд? Прежде всего ученых интересует изменение электронных свойств графена при его свертывании. Как изменится его проводимость, каковы особенности зонной структуры? С этой целью в работе была исследована зонная структура двух слоев графена в зависимости от степени взаимного сдвига атомов кристаллической решетки (рис.3). В результате параметров сдвига происходит усложнение зонной структуры, смещаются экстремумы, в некоторых случаях незначительно перекрывающиеся и сдвинутые относительно так называемой К-точки (равновесной точки, в которой максимум валентной зоны и зоны проводимости совпадают при отсутствии сдвига). На рис.4 показаны результаты численного моделирования графолда свернутого под углом 0 градусов с трехслойной складкой, свободно лежащего на плоской поверхности. Из рисунка видно, что полученная зонная структура очень сложна и имеет многочисленные максимумы и минимумы. На вставке видно, что крайние экстремумы испытывают слабое перекрытие, что говорит о полуметаллических свойствах графолда.
Очевидно, что из графолда можно создавать периодические структуры - новый тип сверхрешеток, электронные и оптические свойства которых еще предстоит изучить. Также предполагается, что графолд можно будет использовать в качестве идеальных интеркаляционных платформ для других атомов или молекул. Авторы статьи интеркалировали молекулы фуллерена в графолд. На рис. 5 - ПЭМ изображение внедренного фуллерена (справа, красная рамка) и его эскиз.
