Дисклинации в поликристаллическом графене и псевдографенах. Обзор

А.Е. Романов ORCID logo , М.А. Рожков, А.Л. Колесникова показать трудоустройства и электронную почту
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   https://doi.org/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

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). Crossref
2. K. F. Mak, C. Lee, J. Hone, J. Shan, T. F. Heinz. Phys. Rev. Lett. 105(13), 136805 (2010). Crossref
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). Crossref
4. H. Liu, A. T. Neal, Z. Zhu, Z. Luo, X. Xu, D. Tománek, P. D. Ye, ACS Nano. 8(4), 4033 (2014). Crossref
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). Crossref
6. Y. Zhang, Y.-W. Tan, H. L. Stormer, P. Kim, Nature. 438(7065), 201 (2005). Crossref
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). Crossref
8. F. Scarpa, S. Adhikari, A. Srikantha Phani. Nanotechnology. 20(6), 065709 (2009). Crossref
9. C. Lee, X. Wei, J. W. Kysar, J. Hone. Science. 321(5887), 385 (2008). Crossref
10. P. R. Wallace. Phys. Rev. 71(9), 622 (1947). Crossref
11. A. H. Neto, F. Guinea, N. M. R. Peres, K. S. Novoselov, A. K. Geim. Rev. Mod. Phys. 81(1), 109 (2009). Crossref
12. T. Ando. NPG Asia Mater. 1(1), 17 (2009). Crossref
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). Crossref
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). Crossref
15. F. Bonaccorso, Z. Sun, T. Hasan, A. C. Ferrari. Nat. Photonics. 4(9), 611 (2010). Crossref
16. S. J. Koester, Mo Li. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 20(1), 84 (2014). Crossref
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). Crossref
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). Crossref
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). Crossref
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). Crossref
22. J. Kotakoski, A. V Krasheninnikov, U. Kaiser, J. C. Meyer, Phys. Rev. Lett. 106(10), 105505 (2011). Crossref
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). Crossref
25. J. H. Warner, E. R. Margine, M. Mukai, A. W. Robertson, F. Giustino, A. I. Kirkland. Science 337(6091), 209 (2012). Crossref
26. A. J. Stone, D. J. Wales. Chem. Phys. Lett. 128(5-6), 501 (1986). Crossref
27. K. Kim, Z. Lee, W. Regan, C. Kisielowski, M. F. Crommie, A. Zettl. ACS Nano. 5(3), 2142 (2011). Crossref
28. J. Lahiri, Y. Lin, P. Bozkurt, I. I. Oleynik, M. Batzill. Nat. Nanotechnol. 5(5), 326 (2010). Crossref
29. O. V. Yazyev, S. G. Louie. Phys. Rev. B. 81(19), 195420 (2010). Crossref
30. P. Koskinen, S. Malola, H. Häkkinen. Phys. Rev. B. 80(7), 073401 (2009). Crossref
31. J. Gao, J. Yip, J. Zhao, B. I. Yakobson, F. Ding. J. Am. Chem. Soc. 133(13), 5009 (2011). Crossref
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). Crossref
34. Z. Cheng, Q. Zhou, C. Wang, Q. Li, C. Wang, Y. Fang. Nano Lett. 11(2), 767 (2011). Crossref
35. C. J. Russo, J. A. Golovchenko. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 109(16), 5953 (2012). Crossref
36. S. J. Stuart, A. B. Tutein, J. A. Harrison. J. Chem. Phys. 112(14), 6472 (2000). Crossref
37. J. Tersoff. Phys. Rev. Lett. 61(25), 2879 (1988). Crossref
38. https://openkim.org/dev-kim-item/LennardJones612_UniversalShifted__ MO_959249795837_002.
39. P. Hohenberg, W. Kohn. Phys. Rev. 136(3B), B864 (1964). Crossref
40. J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof. Phys. Rev. Lett. 77(18), 3865 (1996). Crossref
41. I. S. Yasnikov, A. L. Kolesnikova, A. E. Romanov. Phys. Solid State. 58(6), 1184 (2016). Crossref
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). Crossref
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). Crossref
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). Crossref
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). Crossref
56. J. Zhang, J. Zhao. Carbon. 55(1), 151 (2013). Crossref
57. V. V. Gertsman, A. A. Nazarov, A. E. Romanov, R. Z. Valiev, V. I. Vladimirov. Philos. Mag. A. 59(5), 1113 (1989). Crossref
58. A. A. Nazarov, A. E. Romanov, R. Z. Valiev. Acta Metal. Mater. 41(4), 1033 (1993). Crossref
59. Y. Liu, B. I. Yakobson. Nano Lett. 10(6), 2178 (2010). Crossref
60. A. Bagri, S.-P. Kim, R. S. Ruoff, V. B. Shenoy. Nano Lett. 11(9), 3917 (2011). Crossref
61. K. A. Ritter, J. W. Lyding. Nat. Mater. 8(3), 235 (2009). Crossref
62. P. Koskinen, S. Malola, H. Häkkinen. Phys. Rev. Lett. 101(11), 115502 (2008). Crossref
63. M. Acik, Y. J. Chabal. Jpn. J. Appl. Phys. 50(7), 070101 (2011). Crossref
64. M. A. Rozhkov, A. L. Kolesnikova, I. S. Yasnikov, A. E. Romanov. Low Temp. Phys. 44(9), 918 (2018). Crossref
65. Z. Wang, X.-F. Zhou, X. Zhang, Q. Zhu, H. Dong, M. Zhao, A. R. Oganov. Nano Lett. 15(9), 6182 (2015). Crossref
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). Crossref
68. H. Sun, S. Mukherjee, M. Daly, A. Krishnan, M. H. Karigerasi, C. V. Singh. Carbon. 110, 443 (2016). Crossref
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). Crossref
71. O. V. Yazyev, L. Helm. Phys. Rev. B. 75(12), 125408 (2007). Crossref
72. F. Hao, D. Fang, Z. Xu. Appl. Phys. Lett. 99(4), 041901 (2011). Crossref
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). Crossref
74. A. N. Enyashin, A. L. Ivanovskii. phys. status solidi. 248(8), 1879 (2011). Crossref
75. A. N. Enyashin, A. L. Ivanovskii. Chem. Phys. Lett. 545, 78 (2012). Crossref
76. O. V. Yazyev. Phys. Rev. Lett. 101(3), 037203 (2008). Crossref
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). Crossref