Дисклинации в поликристаллическом графене и псевдографенах. Обзор

А.Е. Романов ORCID logo , М.А. Рожков, А.Л. Колесникова
Получена: 22 октября 2018; Исправлена: 03 ноября 2018; Принята: 06 ноября 2018
Цитирование: А.Е. Романов, М.А. Рожков, А.Л. Колесникова. Дисклинации в поликристаллическом графене и псевдографенах. Обзор. Письма о материалах. 2018. Т.8. №4. С.384-400
BibTex   DOI: 10.22226/2410-3535-2018-4-384-400

Аннотация на русском языке

Сборка псевдографена из границ зерен со структурными единицами 5-7.В представленном обзоре рассматриваются свойства дисклинации, выступающих в качестве основных структурных дефектов двумерной кристаллической гексагональной решетке графена. Дисклинации связаны с несобственными углеродными кольцами, то есть кольцами, состоящими из 4, 5, 7 или 8 звеньев, в отличие от собственных 6-звенных углеродных колец, составляющих идеальную кристаллическую решетку графена. С помощью дисклинаций построены модели структуры границ зерен и других поверхностей раздела в графеновых поликристаллах, а также получены модели структуры псевдографенов. Псевдографены рассматриваются как кристаллы графена с высокой плотностью периодически распределенных дисклинаций с нулевым полным зарядом. Геометрия и энергия дисклинационных конфигураций в графене анализируются с помощью метода молекулярной динамики и в рамках теории дефектов упругого континуума. Показано, что в рамках рассмотренных моделей энергия поверхностей раздела в графене достигает 2 эВ/Å. Для симметричных межзёренных границ наклона в графене энергия оказывается ниже 0,5 эВ/Å, когда границы находятся в так называемом равновесном состоянии. В случае перехода границ зёрен в неравновесное состояние их энергия может кратно увеличиваться. Для исследованных псевдографенов возникает значительный избыток энергии по сравнению со стандартным графеном, состоящим только из собственных 6-звенных углеродных колец; обнаруженное увеличение энергии составляет порядка 1 эВ на атом углерода. В заключение утверждается, что изучение свойств дисклинаций в графене открывает новое направление в науке и технологии графена – инженерию дефектов в графене.

Ссылки (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