Disclinations in polycrystalline graphene and pseudo-graphenes. Review

A.E. Romanov ORCID logo , M.A. Rozhkov, A.L. Kolesnikova
Received: 22 October 2018; Revised: 03 November 2018; Accepted: 06 November 2018
This paper is written in Russian
Citation: A.E. Romanov, M.A. Rozhkov, A.L. Kolesnikova. Disclinations in polycrystalline graphene and pseudo-graphenes. Review. Letters on Materials, 2018, 8(4) 384-400
BibTex   DOI: 10.22226/2410-3535-2018-4-384-400

Abstract

Assembling of pseudo-graphene from grain boundaries with structural units 5-7. In this review, we consider wedge disclinations as the main structural defects in 2D graphene crystal hexagonal lattice. Disclinations are associated with improper carbon rings, i.e. rings having 4, 5, 7 or 8 members to the contrary of proper 6-member carbon rings constituting ideal 2D graphene crystal lattice. With the help of disclinations, we build the models for grain boundaries and other interfaces in graphene polycrystals as well as for pseudo-graphenes. The pseudo-graphenes are treated as graphene crystals with high density of periodically distributed disclinations with zero total charge. The geometry and energy of disclinated graphene configurations are analyzed with the help of molecular dynamics (MD) simulation technique and in the framework of the theory of defects in elastic continuum. We demonstrate that the energy of the modeled graphene interfaces reaches the value of 2 eV/Å. For symmetric tilt grain boundaries in graphene the energy stays below 0.5 eV/Å when the boundaries are in so-called equilibrium state. In the case of transition of a grain boundary to non-equilibrium state, the energy of the boundary can be up to three times higher. For investigated pseudo-graphenes, there is substantial energy excess in comparison to conventional grapheme; the found energy excess can be of the order of 1eV per carbon atom. In conclusion, it is argued that studying the properties of disclinations in graphene opens a new direction in graphene science and technology – graphene defect engineering.

References (77)

1.
K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V Dubonos, I. V Grigorieva, A. A. Firsov. Science. 306(5696), 666, (2004). DOI: 10.1126/science.1102896
2.
K. F. Mak, C. Lee, J. Hone, J. Shan, T. F. Heinz. Phys. Rev. Lett. 105(13), 136805 (2010). DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.136805
3.
K. K. Kim, A. Hsu, X. Jia, S. M. Kim, Y. Shi, M. Hofmann, D. Nezich, J. F. Rodriguez-Nieva, M. Dresselhaus, T. Palacios. Nano Lett. 12(1), 161 (2012). DOI: 10.1021/nl203249a
4.
H. Liu, A. T. Neal, Z. Zhu, Z. Luo, X. Xu, D. Tománek, P. D. Ye, ACS Nano. 8(4), 4033 (2014). DOI: 10.1021/nn501226z
5.
K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, M. I. Katsnelson, I. V. Grigorieva, S. V. Dubonos, A. A. Firsov. Nature. 438(7065), 197 (2005). DOI: 10.1038/nature04233
6.
Y. Zhang, Y.‑W. Tan, H. L. Stormer, P. Kim, Nature. 438(7065), 201 (2005). DOI: 10.1038/nature04235
7.
K. S. Novoselov, Z. Jiang, Y. Zhang, S. V Morozov, H. L. Stormer, U. Zeitler, J. C. Maan, G. S. Boebinger, P. Kim, A. K. Geim, Science. 315(5817), 1379 (2007). DOI: 10.1126/science.1137201
8.
F. Scarpa, S. Adhikari, A. Srikantha Phani. Nanotechnology. 20(6), 065709 (2009). DOI: 10.1088/0957-4484/20/6/065709
9.
C. Lee, X. Wei, J. W. Kysar, J. Hone. Science. 321(5887), 385 (2008). DOI: 10.1126/science.1157996
10.
P. R. Wallace. Phys. Rev. 71(9), 622 (1947). DOI: 10.1103/PhysRev.71.622
11.
A. H. Neto, F. Guinea, N. M. R. Peres, K. S. Novoselov, A. K. Geim. Rev. Mod. Phys. 81(1), 109 (2009). DOI: 10.1103/RevModPhys.81.109
12.
T. Ando. NPG Asia Mater. 1(1), 17 (2009). DOI: 10.1038/asiamat.2009.1
13.
A. Das, S. Pisana, B. Chakraborty, S. Piscanec, S. K. Saha, U. V. Waghmare, K. S. Novoselov, H. R. Krishnamurthy, A. K. Geim, A. C. Ferrari. Nat. Nanotechnol. 3(4), 210 (2008). DOI: 10.1038/nnano.2008.67
14.
H. Yang, J. Heo, S. Park, H. J. Song, D. H. Seo, K.‑E. Byun, P. Kim, I. Yoo, H.‑J. Chung, K. Kim. Science. 336(6085), 1140 (2012). DOI: 10.1126/science.1220527
15.
F. Bonaccorso, Z. Sun, T. Hasan, A. C. Ferrari. Nat. Photonics. 4(9), 611 (2010). DOI: 10.1038/nphoton.2010.186
16.
S. J. Koester, Mo Li. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 20(1), 84 (2014). DOI: 10.1109/JSTQE.2013.2272316
17.
C. R. Dean, A. F. Young, I. Meric, C. Lee, L. Wang, S. Sorgenfrei, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. Kim, K. L. Shepard. Nat. Nanotechnol. 5(10), 722 (2010). DOI: 10.1038/nnano.2010.172
18.
E. Kaxiras. Atomic and Electronic Structure of Solids. Cambridge, Cambridge University Press (2003).
19.
L. Liu, M. Qing, Y. Wang, S. Chen. J. Mater. Sci. Technol. 31(6), 599 (2015). DOI: 10.1016/J.JMST.2014.11.019
20.
H. Wang, Q. Wang, Y. Cheng, K. Li, Y. Yao, Q. Zhang, C. Dong, P. Wang, U. Schwingenschlögl, W. Yang. Nano Lett. 12(1), 141 (2012). DOI: 10.1021/nl2031629
21.
R. R. Nair, I.‑L. Tsai, M. Sepioni, O. Lehtinen, J. Keinonen, A. V. Krasheninnikov, A. H. Castro Neto, M. I. Katsnelson, A. K. Geim, I. V. Grigorieva. Nat. Commun. 4(1), 2010 (2013). DOI: 10.1038/ncomms3010
22.
J. Kotakoski, A. V Krasheninnikov, U. Kaiser, J. C. Meyer, Phys. Rev. Lett. 106(10), 105505 (2011). DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.105505
23.
A. L. Kolesnikova, M. A. Rozhkov, I. Hussainova, T. S. Orlova, I. S. Yasnikov, L. V Zhigilei, A. E. Romanov. Rev. Adv. Mater. Sci. 52, 91 (2017).
24.
R. Grantab, V. B. Shenoy, R. S. Ruoff. Science. 330(6006), 946 (2010). DOI: 10.1126/science.1196893
25.
J. H. Warner, E. R. Margine, M. Mukai, A. W. Robertson, F. Giustino, A. I. Kirkland. Science 337(6091), 209 (2012). DOI: 10.1126/science.1217529
26.
A. J. Stone, D. J. Wales. Chem. Phys. Lett. 128(5–6), 501 (1986). DOI: 10.1016/0009-2614(86)80661-3
27.
K. Kim, Z. Lee, W. Regan, C. Kisielowski, M. F. Crommie, A. Zettl. ACS Nano. 5(3), 2142 (2011). DOI: 10.1021/nn1033423
28.
J. Lahiri, Y. Lin, P. Bozkurt, I. I. Oleynik, M. Batzill. Nat. Nanotechnol. 5(5), 326 (2010). DOI: 10.1038/nnano.2010.53
29.
O. V. Yazyev, S. G. Louie. Phys. Rev. B. 81(19), 195420 (2010). DOI: 10.1103/PhysRevB.81.195420
30.
P. Koskinen, S. Malola, H. Häkkinen. Phys. Rev. B. 80(7), 073401 (2009). DOI: 10.1103/PhysRevB.80.073401
31.
J. Gao, J. Yip, J. Zhao, B. I. Yakobson, F. Ding. J. Am. Chem. Soc. 133(13), 5009 (2011). DOI: 10.1021/ja110927p
32.
J. Coraux, A. T. N’Diaye, M. Engler, C. Busse, D. Wall, N. Buckanie, F.‑J. M. zu Heringdorf, R. van Gastel, B. Poelsema, T. Michely. New J. Phys. 11(2), 23006 (2009).
33.
Z. H. Ni, H. M. Wang, Y. Ma, J. Kasim, Y. H. Wu, Z. X. Shen. ACS Nano. 2(5), 1033 (2008). DOI: 10.1021/nn800031m
34.
Z. Cheng, Q. Zhou, C. Wang, Q. Li, C. Wang, Y. Fang. Nano Lett. 11(2), 767 (2011). DOI: 10.1021/nl103977d
35.
C. J. Russo, J. A. Golovchenko. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 109(16), 5953 (2012). DOI: 10.1073/pnas.1119827109
36.
S. J. Stuart, A. B. Tutein, J. A. Harrison. J. Chem. Phys. 112(14), 6472 (2000). DOI: 10.1063/1.481208
37.
J. Tersoff. Phys. Rev. Lett. 61(25), 2879 (1988). DOI: 10.1103/PhysRevLett.61.2879
38.
https://openkim.org/dev-kim-item/LennardJones612_UniversalShifted__ MO_959249795837_002
39.
P. Hohenberg, W. Kohn. Phys. Rev. 136(3B), B864 (1964). DOI: 10.1103/PhysRev.136.B864
40.
J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof. Phys. Rev. Lett. 77(18), 3865 (1996). DOI: 10.1103/PhysRevLett.77.3865
41.
I. S. Yasnikov, A. L. Kolesnikova, A. E. Romanov. Phys. Solid State. 58(6), 1184 (2016). DOI: 10.1134/S1063783416060342
42.
A. E. Romanov, V. I. Vladimirov. In: Dislocations in Solids (ed. by F. R. N. Nabarro). Amsterdam, North-Holland (1992) p. 191.
43.
A. E. Romanov, A. L. Kolesnikova. Prog. Mater. Sci. 54(6), 740 (2009). DOI: 10.1016/j.pmatsci.2009.03.002
44.
A. Richter, A. E. Romanov, W. Pompe, V. I. Vladimirov, Phys. Stat. Sol. B. 143(1), 43 (1987).
45.
J. D. Eshelby. Proc. R. Soc. A. 241(1226), 376 (1957).DOI:10.1098/rspa.1957.0133
46.
T. Mura. Micromechanics of Defects in Solids. Dordrecht / Boston / Lancaster, Martinus Nijhoff Publishers (1987).
47.
A. L. Kolesnikova, T. S. Orlova, I. Hussainova, A. E. Romanov. Phys. Solid State. 56(12), 2573 (2014). DOI: 10.1134/S1063783414120166
48.
A. L. Kolesnikova, M. Yu. Gutkin, A. E. Romanov. Rev. Adv. Mater. Sci. 51(2), 130 (2017)
49.
F. Kroupa. In: Theory of Crystal Defects. Proceedings of the Summer School held in Hrazany in September 1964, Prague, Academia — Publishing House of the Czechoslovak Academy of Sciences (1966) p. 276.
50.
A. L. Kolesnikova, R. M. Soroka, A. E. Romanov. Materials Physics and Mechanics. 17(1), 71 (2013).
51.
R. De Wit. Continual Theory of Disclinations. Moscow, Mir (1977). (in Russian) [Р. де Вит. Континуальная теория дисклинаций (Пер. с англ., под ред. А. А. Вакуленко). Москва, Мир (1977) 208 с.]
52.
A. L. Kolesnikova, A. E. Romanov. Circular dislocation-disclination loops and their application to boundary problem solution in the theory of defects. Preprint No 1019, Leningrad, Phys.‑Tech. Inst. (1986). (in Russian) [А. Л. Колесникова, А. Е. Романов, Круговые дислокационно-дисклинационные петли и их применение к решению граничных задач теории дефекюв, Ленинград, ФТИ. Препринт № 1019 (1986) 62 с.]
53.
A. L. Kolesnikova, A. E. Romanov. Tech. Phys. Lett. 3(6), 272 (1987).
54.
M. A. Rozhkov, A. L. Kolesnikova, T. S. Orlova, L. V. Zhigilei, A. E. Romanov. Mater. Phys. Mech. 29(1), 101 (2016).
55.
A. E. Romanov, A. L. Kolesnikova, T. S. Orlova, I. Hussainova, V. E. Bougrov, R. Z. Valiev. Carbon. 81, 223 (2015). DOI: 10.1016/j.carbon.2014.09.053
56.
J. Zhang, J. Zhao. Carbon. 55(1), 151 (2013). DOI: 10.1016/j.carbon.2012.12.021
57.
V. V. Gertsman, A. A. Nazarov, A. E. Romanov, R. Z. Valiev, V. I. Vladimirov. Philos. Mag. A. 59(5), 1113 (1989). DOI: 10.1080/01418618908209841
58.
A. A. Nazarov, A. E. Romanov, R. Z. Valiev. Acta Metal. Mater. 41(4), 1033 (1993). DOI: 10.1016/0956-7151(93)90152‑I
59.
Y. Liu, B. I. Yakobson. Nano Lett. 10(6), 2178 (2010). DOI: 10.1021/nl100988r
60.
A. Bagri, S.‑P. Kim, R. S. Ruoff, V. B. Shenoy. Nano Lett. 11(9), 3917 (2011). DOI: 10.1021/nl202118d
61.
K. A. Ritter, J. W. Lyding. Nat. Mater. 8(3), 235 (2009). DOI: 10.1038/nmat2378
62.
P. Koskinen, S. Malola, H. Häkkinen. Phys. Rev. Lett. 101(11), 115502 (2008). DOI: 10.1103/PhysRevLett.101.115502
63.
M. Acik, Y. J. Chabal. Jpn. J. Appl. Phys. 50(7), 070101 (2011). DOI: 10.1143/jjap.50.070101
64.
M. A. Rozhkov, A. L. Kolesnikova, I. S. Yasnikov, A. E. Romanov. Low Temp. Phys. 44(9), 918 (2018). DOI: 10.1063/1.5052677
65.
Z. Wang, X.‑F. Zhou, X. Zhang, Q. Zhu, H. Dong, M. Zhao, A. R. Oganov. Nano Lett. 15(9), 6182 (2015). DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02512
66.
A. Mrozek, T. Burczyński. Comput. Assist. Methods Eng. Sci. 20(4), 309 (2017).
67.
H. Zhu, A. T. Balaban, D. J. Klein, T. P. Živković. J. Chem. Phys. 101(6), 5281 (1994). DOI: 10.1063/1.467382
68.
H. Sun, S. Mukherjee, M. Daly, A. Krishnan, M. H. Karigerasi, C. V. Singh. Carbon. 110, 443 (2016). DOI: 10.1016/j.carbon.2016.09.018
69.
A. S. Kochnev, I. A. Ovid’ko, B. N. Semenov. Rev. Adv. Mater. Sci. 47, 79 (2016).
70.
U. Sim, T.‑Y. Yang, J. Moon, J. An, J. Hwang, J.‑H. Seo, J. Lee, K. Y. Kim, J. Lee, S. Han. Energy Environ. Sci. 6(12), 3658 (2013). DOI: 10.1039/c3ee42106f
71.
O. V. Yazyev, L. Helm. Phys. Rev. B. 75(12), 125408 (2007). DOI: 10.1103/PhysRevB.75.125408
72.
F. Hao, D. Fang, Z. Xu. Appl. Phys. Lett. 99(4), 041901 (2011). DOI: 10.1063/1.3615290
73.
J. N. Grima, S. Winczewski, L. Mizzi, M. C. Grech, R. Cauchi, R. Gatt, D. Attard, K. W. Wojciechowski, J. Rybicki. Adv. Mater. 27(8), 1455 (2015). DOI: 10.1002/adma.201404106
74.
A. N. Enyashin, A. L. Ivanovskii. phys. status solidi. 248(8), 1879 (2011). DOI: 10.1002/pssb.201046583
75.
A. N. Enyashin, A. L. Ivanovskii. Chem. Phys. Lett. 545, 78 (2012). DOI: 10.1016/j.cplett.2012.07.024
76.
O. V. Yazyev. Phys. Rev. Lett. 101(3), 037203 (2008). DOI: 10.1103/PhysRevLett.101.037203
77.
R. R. Nair, M. Sepioni, I.‑L. Tsai, O. Lehtinen, J. Keinonen, A. V. Krasheninnikov, T. Thomson, A. K. Geim, I. V. Grigorieva. Nat. Phys. 8(3), 199 (2012). DOI: 10.1038/nphys2183