弯曲晶界——石墨烯强度的提升剂

　　莱斯大学的新研究证明在一些特例中弯曲晶界可以提高多晶体的强度，而这为石墨烯的强化提供了途径，且同时会产生一个规模相当可观的电子转移能带。
　　上图中左侧图像是晶界的电脑模型，中间的图像是晶界显微模拟图像，这二者被认为与实际的晶界近乎完美的匹配，而右侧的图像取自于康奈尔大学的科学家于2011年发表在Nature上的一篇论文。晶粒周围凸出的蓝色圆环是由于显微镜电子束照射样品时产生的偏转作用引起的。
　　莱斯大学的科学家们发现弯曲晶界可以提高半导体的强度和其他许多性能。
　　石墨烯是一种以单层原子形式存在的碳，然而罕见的是，石墨烯的晶格特征是由六个原子组成的无畸变圆环，就类似于铁丝网的网孔。当采用化学蒸汽沉积法生长石墨烯时，通常是由许多相互独立的晶核从热触媒沿着向外的方向各自独立的生长，直到晶核长大并相互接触。
　　石墨烯晶粒像是有“领土观念”一样，在晶粒相互接触的地方，同一排上的原子本质上并不相同，因此，为了形成连续的石墨烯平面，这些原子必须做出调整，这种调整就像是为了弥补角度差异而形成的好几个不规则的原子环列的晶界。
　　莱斯大学的理论物理学家Boris Yakobson的实验室已经确定了由七个碳原子组成的圆环是使石墨烯强度降低的薄弱点。Yakobson是莱斯大学材料科学与纳米工程学院的教授，同时也是化学院的教授。然而，莱斯大学的新研究证明了在一些特例中弯曲晶界可以提高多晶体的强度，而这为石墨烯的强化提供了途径，且同时会产生一个规模相当可观的电子转移能带。纯的石墨烯能够导电，但是电子的特性需要导电材料可以用一种可控的方式来开始或者终止电子流的输送。而半导体材料恰好具备这种性质，研究者们已经开始致力于对石墨烯等二维半导体材料的这种性质的应用性研究。
　　Yakobson和他的实验团队发现：在某个特定的晶界角处，弯曲晶界会使晶体的强度升高通常是因为弯曲晶界释放了晶体内的残余应力。一位名叫Zhuhua Zhang的博士后研究员领导着这项研究，他说：“若晶界上的应力被释放，石墨烯的强度就会提升，但是这只在晶界弯曲的条件下才成立”。
　　研究者们计算了每个晶界的力学强度来探寻它们之间相互影响的方式。相应的，有些晶界可能会相互缠结在一起，研究团队测定了在高的应力条件下可能产生裂纹的区域。而不同的石墨烯面之间存在的表面能可以通过在晶界处形成空位或者位错环而得到降低。当六原子环之中的某一个原子脱离原有原子环而进入相邻的六原子圆环中去，就会产生一个新的原子结构单位。
　　在特定的条件下，晶界间的角度并不影响平直晶界，而是影响弯曲晶界。为了测定能带和材料的抗拉强度等性质，研究者们模拟了弯曲晶界并且发现，整个多晶面都是由一些相同的小区域按周期性排列的方式形成。这种周期性体现在沿晶界长度方向上的区域重现。
　　该研究的一个重大突破是Zhang研究员模拟的一个弯曲晶界图与2011年在自然杂志上发表的一篇论文中的不对称晶界相吻合。扫描电子显微镜图像显示这两种晶界原子结构中的位错排列十分相似。Zhang博士解释道：在图像中的数百个位错环中，只有一对位错环没有在其指定位置，这很大程度上可能是由于电子显微镜产生的电子束照射使得该位错环发生了扭转。
　　为了将莱斯大学实验室中的研究成果转化为实际生产力，研究者们开始寻找制备多晶石墨烯的方法，这需要严格的控制组分的排列方式，Yakobson坦承这并不容易。“但是，假设能够使多晶金属基底处形成的石墨烯晶核按照预先设定的规律生长，那么晶核长大后就可以获得预期的晶体结构”Yakobson补充道。
　　该项目由美国空军科学研究办公室和能源部提供支持，实验采用由科学基金会支持、莱斯大学肯尼迪信息技术学院管理的DAVinCI and SUGAR超级计算机组进行数据计算。
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