Американские химики нашли способ встраивать небольшие фрагменты кристаллов редкоземельных металлов в подповерхностный слой графита. Один или несколько атомных слоев металла при этом оказываются покрытыми одним графеновым слоем, сообщают ученые в статье в Сarbon.

Графит — наиболее распространенная модификация углерода — представляет собой слоистую кристаллическую структуру, в которой каждый отдельный слой составлен из решетки шестиугольников с атомами углерода в узлах. Поскольку связь между слоями в графите значительно слабее, чем связь между атомами внутри каждого слоя, то при определенных условиях один слой можно отделить, получив из графита графен (например, Андрей Гейм и Константин Новоселов сделали это с помощью скотча). Известно, что между слоями графита в глубине материала можно встраивать атомы металлов и использовать такие системы для катализа или получения систем с магнитным свойствами.

Группа американских химиков под руководством Патриции Тиль (Patricia Thiel) из Лаборатории Эймса предложила способ встраивать небольшие участки металлических решеток редкоземельных элементов (диспрозия, рутения и меди) прямо в подповерхностном слое, так что небольшие островки металла оказываются покрыты всего одним слоем графена.

Авторы работы утверждают, что для осуществления предложенного механизма необходимо выполнение двух условий. Первое — это присутствие на поверхности графита дефектов, через которые атом металла может попасть внутрь материала. А второе — повышенная температура осаждения металла на графит относительно температуры окружающей среды. Поэтому чтобы получить в графите небольшой островок металла, покрытый слоем графена, химики сначала подвергали поверхность графита бомбардировке ионами аргона, чтобы создать на ней необходимые дефекты, а после этого при достаточно высокой температуре (около 600 градусов Цельсия) осаждали на нее металл. Все эти операции проводились при сверхвысоком вакууме (2×10⁻¹¹ миллибар).

Изображения островков рутения в подповерхностном слое графита, полученные с помощью сканирующей туннельной микроскопии. Y. Zhou et al./ Carbon, 2018

Основным методом исследования полученных образований стала сканирующая туннельная микроскопия, которая позволяет получить изображение поверхности с атомарным разрешением. На микроизображениях можно увидеть две решетки: одну (ту, которая состоит из атомов металла) — покрупнее и поглубже, и другую (состоящую из атомов углерода) — более мелкую и расположенную на поверхности первой. При этом ориентация этих двух решеток оказывается взаимно согласованной.

Ученые отмечают, что внедрение металла в подповерхностный слой графита происходит не так, как в объем материала, и не так, как если бы графен был осажден на поверхность другого материала. При этом максимальное количество слоев металла, из которых состоит каждый отдельный островок, зависит в первую очередь от природы металла: так, для атомов рутения максимальная высота внедренного под поверхность металлического образования составила один нанометр, а для атомов меди — 30 нанометров.

Схема поперечного среза материала с подповерхностным островком из редкоземельного металла. Y. Zhou et al./ Carbon, 2018

Возможность образования таких структур химики подтвердили теоретически, сравнив избыточную энергию, которая появляется в результате деформации верхнего слоя графена, и выигрыш в энергии за счет образования связи между графитом и атомами металла. Оказалось, что действительно суммарно такие структуры энергетически выгодны.

В будущем с помощью управления размером и количеством таких металлических островков ученые предлагают менять электронные и магнитные свойства поверхностного слоя графита.

Графит и графен — далеко не единственные модификации углерода, которые можно встретить в природе. Кроме алмаза, графен можно встретить в виде углеродных нанотрубок, фуллеренов, Q-углерода и в других формах, подробно о которых вы можете прочитать в нашем материале.

Автор6 Александр Дубов