火星上にないピラミッド：グラフェン層の下のナノ結晶クラスターの形状の研究

非常に多くのプロパティ、したがって何かを適用する方法は、このオブジェクトの形状に依存します。 すべてが非常にシンプルで論理的です。丸い車輪は四角い車輪よりも回転しやすく、飛行機の翼は空力特性を改善する特定の形状をしています。 普通の鉛筆でも六角形の形をしているので、書きながら手に持って、ダークソウルズを最初に立ち上げた人のポーズですべてのソファとキャビネットの下のアパート全体でそれを探すのはより便利です。 形状を変更すると、プロパティが変更される可能性があります。これらの変更を制御すると、必要な特定のプロパティを取得できます。 これは、まさに我々が今日検討している研究で科学者がしたことです。 彼らはグラフェン膜の下にナノ結晶銅クラスターの「一定の弾性」モデルを作成しました。 科学者は銅をグラフェンで「スミア」する方法と理由、実際の実験で示された結果、予備計算に同意し、ナノメートル規模のこの「サンドイッチ」は科学にとって何を意味するのでしょうか？ これらの質問に対する答えは、研究グループの報告書で私たちを待っています。 行こう

研究の基礎

科学者自身が言うように、機能性結晶の構造と形態以上に重要なものはありません（科学者は自分の人生の優先事項を持っています。 これらの小さなオブジェクトの合成中に、平衡構造からのいくらかの逸脱が可能になります。これは非常に不快なマイナスまたは大きなプラスのいずれかです。 平衡構造の本質を理解すれば、これらの構造をよりよく理解し、結果としてそれらを操作することを学ぶことができます。



これにおける重要な役割は、いくつかのクラスに分けられるナノ結晶（NC）によって演じられます：液相合成によって得られる支持されていない三次元ナノ結晶、および基板表面への堆積によって得られる支持された三次元および二次元ナノ結晶。



お気に入りの単語「quantum」をこれらすべてに結び付けると、次のことがわかります。量子ドットの場合、つまり ヘテロエピタキシー*内の格子不整合により形成される3次元NCをサポートし、形状制御において変形が非常に重要な役割を果たします。

ヘテロエピタキシー*は、成長層が基板と化学組成が異なる場合の、エピタキシー（低温での1つの結晶材料の成長）です。

この研究では、科学者は層状物質の下に位置する新しいタイプの三次元ナノ結晶（クラスター）を検討します。 したがって、これらのナノ結晶は、1つまたはいくつかの単分子層（上）および半無限層（下）の下で圧縮されます。



科学者がなぜこれを行うのか、あなたは尋ねます。 彼らは答えます：この研究の目的は、上部グラフェン層の変形エネルギー、Cu（銅）、グラフェン、グラファイトの接着と表面エネルギーを組み合わせて、表面/カプセル化されたクラスターの平衡形状を制御できる、一定の弾性（PE）のモデルを開発および分析することです。



科学者はそのようなモデルを作成し、その後、紙ではなく実際にその実行可能性をテストしました。 分析によってどのような結果が示され、理論と実践の間でどのような矛盾が観察されたかについて、さらに検討します。

研究準備

当初、銅ナノクラスターとの相互作用のためにグラファイトを準備する必要がありました。 このため、Ar +を衝撃することで表面に欠陥が作成されました。 その後、Cu原子がグラファイトの表面に衝突し、いくつかの欠陥を貫通し、すでにグラファイトの表面の下にありました。 この動作中、グラファイト基板は600-800 Kに加熱されます。このような温度レジームは、理由により選択されます。グラファイト表面のCuの島（クラスター）は550-600 Kの温度で粗くなります。したがって、Cu-Cu結合の破壊は600 K以上。 その結果、この研究では温度800 Kで銅の島が形成されました。





イメージNo. 1



STM 1a画像では、赤い惑星の表面のピラミッドではなく、STMプロファイルが1a 'で示されているまさに銅の島が見えます。



科学者たちは、この銅の島の形状に注意を向けています。それは、平らな六角形です。 上部と下部の平坦化は、島の中央部分が基板層（下）とグラフェン層（上）によって制限されていることを示しています。 また、平坦な上部の周りにリングを形成する斜面があります。 観測によれば、これらの島の炭素層の厚さは、最大で3層の数層のグラフェン単分子層になります。



次に、科学者はこの島の形状を分析しました（ 1b ）。 高さ（h）がリング（a）の幅とほぼ同じようにスケーリングすることが明らかになりました。 さらに、勾配（h / a）、つまり側面の勾配は、さまざまなサイズで一定です。 しかし、リングの幅とは対照的に、直径は高さに対してうまくスケーリングされません。つまり、アスペクト比d / hは一定ではありません。 グラフ1cはリングの高さと幅の比率を示し、グラフ1dは島の先端の高さと幅を示します。 同時に、合計約140の銅の島が分析されました。



グラフェン層の下の銅ナノ層の実際の状況は、今では明らかです。 これらの観察の後、科学者は一定の弾性（PE）のモデルの作成に進みました。

PEモデル

モデリングのプロセスで、科学者は銅の島の形状の近似（近似）を適用することにしました。したがって、使用されたのは六角形のピラミッドではなく、円筒形のピラミッドでした。 銅シリンダーは、1つまたは複数のグラフェン単層の膜とグラファイト基板の間に成長します。



グラファイト基板は剛性であり、被覆層（銅の島の上）は弾性の引張変形と曲げ変形を受け、成長する島に適応できると想定されています。



用語の小さな明確化：将来、彼らの研究では、科学者は島をCuクラスター、変形グラフェン膜、グラファイト基板の集合体、クラスター-中央の金属部分のみと呼びます。



島の形の重要な要素は、側面の傾斜です。 これらの傾斜は、サポートされているCuクラスターの上面（111）に自然に隣接する低指数（111）または（100）Cu平面の傾斜よりもはるかに小さくなっています。 このことから、銅で満たされた環状空間は、高指数および表面エネルギーCuの表面のために、エネルギー的に実行可能な構成ではないことがわかります。



もう1つの重要な特徴は、リングの折り目の存在です。その折り目の1aの左下隅に見ることができます。 このような変形は、膜（被覆層）が下層の材料の伸びの影響を受けず、その折り畳みが制限されることを示しています。



システムのエネルギー（Π）は、歪んだグラフェンフィルムの弾性ひずみエネルギー（U _e ）と、システムの全エネルギーの界面および表面（IS-界面/表面）成分を表す変数セットの合計としてモデル化できます。 インターフェースと表面には、純銅、グラフェン-グラファイト（GnGt）、銅-グラフェンおよび銅-グラファイト（両方の指定-CuG）が含まれます。 上記は、次のISエネルギーに対応します。

• Cu、U _Cuの表面エネルギーに関連するエネルギーコスト、および接着性の損失Gn-Gt、U _GnGt 。
• Cu-GnとCu-Gtの接着に伴うエネルギーの減少、U _GnGt 。

一緒に、それらは一般的な用語-U _ISによって参照されます。 以下は、総エネルギーの式です。



Π= U _Cu + U _GnGt + U _CuG + U _e



平衡状態は、Cuクラスターの固定体積（V）でminimizingを最小化することで得られました。



次に、システムの全エネルギーの界面と表面成分であるU _ISを計算しました。 このような各成分は、表面エネルギー（γ）または付着エネルギー（β）の積に対応する面積を乗じたものとして表すことができます。





表1：U _IS （左）と入力データ（右）の計算式



γとβの値は、密度汎関数理論を使用して取得されました。 Cuクラスターの（111）配向は、実験データから得られました。



その後、科学者たちは、計算モデルSLBT（円筒形の棒が平らな表面を持つブリスターテスト）によってU _eの値を推定しました。このモデルでは、円筒形の棒が固体表面の穴を通って上昇し、弾性膜に押し付けられて変形します。



膜は引張および曲げ変形を受ける。 SLBTモデルでは、これら2つのタイプの変形は独立した寄与として近似されます。 計算により、実験構造のサイズを考慮すると、曲げひずみは非常に小さいことがわかりました。したがって、膜全体の弾性エネルギー（U _e ）のモデリングは、引張ひずみを考慮した場合にのみ可能でした。



環状空間は、制限なしに島の成長に応答できますが、島の上部のグラフェンの部分と銅の間の接着は、グラフェンの横方向の伸びを防ぐことができます。 ストレッチが自由に進行する場合、この部分は島の上部で自由に変形することもできます。



この声明から、式U _eが導き出されました（表1の5）。 これから、U _eの値はポアソン比（v）、縦弾性係数（Y）、およびグラフェンの厚さ（t）に依存することがわかります。 vの値は、欠陥密度（7.3±0.4）x10 3μm ^-2の実験値に対応するため、0.165、Y-1.1 TPaでした。



グラフェンの厚さについては、島の上部のグラフェンが単分子層以上の厚さになる可能性があることをすでに知っています。 これにより、式t = L・t _GMLに従って、研究対象構造の上部層の厚さを計算できます。ここで、Lはグラフェン層の数、t _GMLは0.34 nm（結晶性グラファイトの層間距離）です。

調査結果

など。 計算部分でも観測データが整理されたら、今度はこれらすべての分析結果をまとめて開始します。



公式U _ISとU _e 、および表1のデータ（右）を考えると、Πは3つの独立したパラメーター（a、h、d）のみの関数になります。 この問題は、クラスターボリューム値V =πhd2/4を正確に設定することで解決できます。これにより、hまたはdが削除されます。 したがって、3つではなく2つのパラメーターのみが取得されます：Π=Π（a、h）またはΠ=Π（a、d）。 デモンストレーションでは、科学者はΠ（a、h）を使用し、クラスターボリュームは使用したデータから取得しました-〈V _exp 〉 = 4x10 ⁴ nm ³ （画像番号2）。





イメージNo. 2



科学者は非常に重要な点に注意します。Πには一定の最小値があり、これは平衡状態です。 このような最小値では、一定の弾性のモデルは次の値を予測します：a _eq = 38.8 nm、h _eq = 9.4 nm、d _eq = 73.6 nm。 実験では、〈V _exp 〉の点で近い島には、〈a _exp〉 = 31±11 nm、〈h _exp 〉 = 7.3±2.6 nm、および〈d _exp 〉 = 88±21 nmのパラメーターがありました。 ご覧のとおり、理論的および実用的なデータは非常によく一致しています。



グラフ2cおよび2dは、Π（a、h）を通る2つの直交セクションを示し、それぞれがグローバル最小値を通過します。



上記のプロセスは、実験的に観察されたクラスター体積の全範囲にわたって繰り返すことができます（1.8×10 ³ nm 3≤V≤6.9× ^{5 5} nm ³ ）。 したがって、モデルによって予測され、実験で観察された島のサイズを比較することが可能です。 モデルと実験をより簡単に比較するために、島のサイズとhの値の比率が使用されます（画像No. 3）。





イメージNo. 3



上記のグラフは、モデルと実験の両方のh / a、d / hおよびd / aの値を示しています。 チャート3a - 3cは実験データとSLBTモデルの比較であり、膜拡張は制限なしで進行します。3d- 3fは既に実験データと拡張が制限されたモデルです。



実験のh / a値は一定で、島のサイズの全範囲で0.24±0.03に等しくなります。 理論的には、クラスターのボリューム1≤L≤5が使用され、理論と実践の指標間の最適な一致はL = 4で見つかりました。



d / hの値（およびd / aと平行）では、異常な変化が観察されます。 グラフ3bからわかるように、d / hの実験値は40から始まりますが、hの値が大きくなると急激に減少し始めます。 hが約10 nmに達すると、d / h値は7.3±2.8（3bの水平破線）に等しくなります。 理論モデルでは、L = 1 ... 5の5.6から8.0の範囲のd / h値が示されました。



固定SLBTモデルでは、パフォーマンスは無料のSLBTモデルに非常に似ています。 唯一の重要な違いは、Lの任意の値について、固定モデルのh / a比が自由モデルよりもわずかに小さいことです。 したがって、固定SLBTモデルの場合の理論と実践の最良の一致は、L = 3で現れます。



この研究のより詳細な研究については、研究グループの報告書をご覧になることを強くお勧めします。

エピローグ

共通点は何ですか？ 科学者は、実験データと非常によく一致する理論モデルを作成しました。 このモデルは、少なくとも曲げひずみがあまり強くないスケールの場合、ナノ結晶銅クラスターの形状が持続することを示しています。 研究者はまた、環状空間の層間剥離は、中央領域（リングの内周）のみでの膜（コーティング層）の変位に対する反応であり、銅自体ではなくグラフェン/グラファイトの特性を反映していることを発見しました。



さらに、上記の同様の観察結果は、金属クラスターが層状の3次元材料の表面近くまたは支持された2次元膜の下に埋め込まれているシステムで、平衡形状の条件下でのみ実在することがわかりました。 この場合、膜の機械的特性、接着力、および表面エネルギーを使用して、カプセル化された物体、つまり金属クラスター（この作品では銅）の平衡形状を予測する必要があります（結果が示すように）。 この原理は逆の方向でも機能します。クラスターのサイズを測定することでエネルギーと機械的特性を調べることができます。 科学者は簡単な例を示します。hとaを測定し、膜の機械的特性を知ることにより、膜基板の接着エネルギーを確立することができます。



この作業は、グラファイトまたはグラフェンなどの誘導体のような層状材料に依存する最新のテクノロジーで最もよく使用できます。 そして、電子機器の物理的寸法の減少傾向がまだ減少していないことを考慮すると、そのような研究には大きな代償が伴うため、新しい衝撃的な発見と驚くべき実験を待ちます。



ご静聴ありがとうございました。好奇心を保ち、良い週をお過ごしください。



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