Химически индуцированный фазовый переход в низкоразмерных структурах
Грант РНФ
№ 21-12-00399
Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Контролируемое изменение структуры наноматериалов на атомном уровне является важнейшей задачей современного материаловедения. Влияние поверхности выражается в необходимости учёта размера наноструктур при описании их стабильности. Особенно отчётливо данная проблема проявляется при исследовании фазовой трансформации наноматериалов, когда их энергия начинает зависеть не только от внешних условий, но и от вклада поверхностных эффектов. Например, классическая фазовая диаграмма Банди углерода меняется при уменьшении толщины углеродной плёнки, давление фазового перехода графит-алмаз увеличивается, что отражает увеличение нестабильности алмаза при уменьшении его размера. При достижении атомарной толщины алмазные плёнки должны демонстрировать ряд крайне привлекательных физических свойств, однако их синтез требует принципиально иных подходов. Естественным для сегодняшней науки кажутся два пути синтеза наноматериала: способы «сверху-вниз» и «снизу-вверх». Способ «сверху-вниз», когда макроскопический материал разделяется до необходимой наноструктуры, не рассматривался, поскольку, вероятно, является невозможным получение алмазных плёнок нанометровой толщины путём разделения кристалла алмаза. Способ «снизу-вверх» (необходимая наноструктура синтезируется из наноструктур меньших размеров), кажется, для данного случая наиболее привлекательным, хотя и, безусловно, требует преодоления ряда нетривиальных научных проблем. Традиционный метод химического осаждения из газовой фазы неприменим для решения задачи получения алмазов атомарной толщины из-за высокой скорости роста алмазных слоёв и их неоднородности на атомном уровне. Поэтому в данной работе будет рассмотрен другой вариант получения алмазных плёнок, когда исходным материалом является не пар, а двухслойная графеновая плёнка. Образование алмазных пленок происходит путём контролируемой химической реакции двух графеновых листов со сторонними атомами – главным образом водородом или фтором. Такой способ будет опробован нами экспериментально, а теоретически мы детально изучим механизм трансформации графеновых слоёв не только в случае бислойного графена, но также и других структур на основе слабо связанных слоёв – двухслойных углеродных нанотрубок и родственных наноматериалов.
Основные участники проекта
Основные результаты проекта
слоях, проведена систематизация выявленных упаковок для последующей обработки. Отработаны режимы обработки бислойного графена, перенесённого на Si3N4 мембрану, в ростовой камере водородом при разных температурах. Изучена контролируемое локальное восстановления плёнки оксида графена путём электронно-лучевого облучения. Исследовано формирование биграфена и его функционализация и модификация водородом. Изучена структура и состав полученных наноматериалов и пленок на основе одно и двухслойного графена с разной степенью функционализации и модификации. Показано образование алмазной фазы после модификации двухслойного графена водородом. Теоретически изучена стабильность алмазных плёнок при различной концентрации атомов водорода на их поверхности. Показана наибольшая равномерная плотность покрытия поверхности, при которой может вообще не образоваться соединение между слоями. Продемонстрировано, что межслоевые связи сохраняются только между атомами углерода, у которых по крайней мере два соседа соединены с водородом. Проведено моделирование процессов нуклеации биграфена и рассмотрено влияние на этот процесс точечных (вакансий и дефекта Стоун-Уэйлса) и одномерных (граница раздела) дефектов. Установлено что точечные дефекты снижают энергетический барьер гидрирования биграфена, однако безбарьерным этот переход все еще не является. Энергия связывания водорода атомами на границе раздела в биграфене незначительно выше аналогичной величины для идеальных структур. Кроме систем с дефектами была рассмотрен так же случай алмазообразования на краях идеального биграфена. Было установлено, что геометрически осаждение водорода идет по линии края и связывание с последующими атомами, находящимися ближе к центру структуры становится менее выгодным, однако из всех рассмотренных случаев, алмазообразование на краю биграфена представляется наиболее энергетически выгодным. Начало нуклеации алмазной фазы в структуре биграфена на подложке платины было изучено при адсорбции на поверхность биграфена атомов водорода. Были рассчитаны структуры с упаковкой слоёв AB и AA’ и расположением водорода на поверхности “chair” и “boat”. Была рассчитана энергия таких структур, и было показано, что с увеличением кластера водорода в случае упаковки AA’ вообще не происходит нуклеации алмаза, тогда как для AB упаковки необходимо преодолеть барьер нуклеации для формирования алмаза. Для случая биграфена без подложки барьера нет, таким образом, было показано, что подложка платины не облегчает нуклеацию алмаза.
Были изготовлены измерительные структуры на подложках Si/SiO2, пористого Al2O3 из плёнок графена методами фото- и электронной литографии и исследована их химическая модификация с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния, электронной микроскопии, а также проведены измерения вольтамперных характеристик. Был изучен эффект химически индуцированного фазового перехода в двухслойном графене, перенесенном на подложку из лангасита и облученном сфокусированным электронным пучком через слой полиметилметакрилата.
Транспортные измерения показывают, что сопротивление графенового бислоя после облучения электронным пучком значительно возрастает, а линейная зависимость тока от напряжения в диапазоне напряжений смещения от –1 до 1 В меняется на нелинейную. Это указывает на появление барьера для носителей в облучаемой области. Этот результат объясняется в рамках теории химически индуцированного фазового перехода, связанного с образованием sp3-связей углерода с водородом и кислородом. При облучении локального участка образца сфокусированным электронным пучком из разрушенного полимера с одной стороны выделяется водород, а с другой стороны отбирается кислород из подложки лангасита, образуя прочные связи с графеном. В результате в этой области образуется стабильная диамановая наноструктура. Разработанная модель диамановой пленки, расположенной на подложке лангасита и функционализированной атомами H и O, подтверждает экспериментальные наблюдения. Было проведено моделирование и сравнение процессов нуклеации диамана из биграфена на металлической подложке (платина, никель, медь) и оценена энергетическая выгодность этих процессов. Было показано, что нуклеация на подложке никеля происходит безбарьерно за счет образования химических связей металл-углерод, в то время как процесс нуклеации на меди и платине обладает энергетическим барьером, что позволяет сделать вывод о предпочтительном использовании платины как источника водорода а не активного субстрата в подобных процессах. Подготовлен потенциал тензора момента с помощью машинного обучения для описания нуклеации sp3-фазы в биграфене с разориентированными слоями при осаждении на его поверхность атомов водорода. Для экспериментальных углов разориентации слоёв показано, что при малых углах энергетически выгодна нуклеация, то есть постепенное увеличение области с межслоевыми связями при добавлении водорода. В то же время при больших углах вероятнее хаотичное присоединение водорода с образованием одиночных межслоевых связей. Для малых углов разориентации построены структуры с максимально возможным размером алмазных фаз. Показано, что в этом случае плёнка биграфена превращается в поликристалл с доминирующей фазой гексагонального алмаза (~50%) и кубического алмаза (~30%). Также был определён размер алмазных зёрен в зависимости от угла разориентации исходного биграфена: 0.095/sin(α) нм, 0.13/sin(α) нм и 0.06/sin(α) нм для зёрен с поверхностями (0001), (10-10) и (111), соответственно. Были определены энергетически выгодные структуры диаманов с полным покрытием поверхности H, -OH или пероксидными функциональными группами. Затем был определён термодинамический диапазон стабильности в зависимости от внешнего давления и химического окружения в зависимости от выбора прекурсора. В частности, обнаружено, что использование воды в качестве источника кислорода требует приложения давления для образования стабильного окисленного диамана, что находится в полном соответствии с экспериментальными данными.
В ходе первого года проекта были получены экспериментальные результаты, подтверждающие предсказанную возможность формирования алмазной плёнки путём осаждения водорода на поверхность биграфена. С другой стороны, проведённые теоретические исследования расширили понимание процессов формирования двумерного алмаза. Отработаны режимы формирования слоёв графена, а также методы переноса и осаждения графена на подложку для формирования биграфеновой плёнки. Проведено исследование степени разориентации полученных графеновых слоёв для выявления последовательности укладки атомов графена в двух
Публикации по проекту
Результаты работы регулярно докладывались на конференциях и семинарах
1) Приглашенный доклад на конференции "New Carbon Nanomaterials: Ultrathin Diamond Films", 6-9 декабря, 2021, г. Москва, НИТУ МИСИС
2) Сорокин П.Б. «Современные успехи в изучении ультратонких алмазных пленок. Достижения и задачи» // 10-ая международная конференция по наноматериалам и перспективным системам хранения энергии (INESS-2022), г. Нур-Султан, Казахстан, 04.08.2022-06.08.2022. Приглашенный доклад
3) Варламова Л.А. Ларионов К.В. Сорокин П.Б. "Квантово-химическое исследование структуры и стабильности наноразмерных алмазных пленок, пассивированных кислородсодержащими группами" // 18-й Российский Симпозиум ФОАММ-2022, г. Новый Афон, Абхазия, 15-26 августа 2022. Устный доклад
4) Л.А. Варламова, К.В. Ларионов, С.В. Ерохин, П.Б. Сорокин "Диаманы: двумерные алмазоподобные пленки и их свойства" // ХIV Симпозиум «Термодинамика и Материаловедение», г. Екатеринбург, 10-13 октября 2022 г. Стендовый доклад
5) Сорокин П.Б. "The way to 2D diamond. Recent experimental results and theoretical insights" // 9ая международная конференция по Нанонауке и технологиям, ChinaNANO2023, г. Пекин, Китай, 26 - 28 августа 2023
Приглашенные доклады на семинарах:
1)Сорокин П.Б. приглашенный докладчик в научно-популярной программе VI "Гиндин-фестиваля" 21 ноября 2023, г. Черноголовка
2)Сорокин П.Б. «Нанотехнологии: революция, которая только начинается» // 7е заседание клуба молодых ученых. Тема: "Нанотехнологии", 31.10.2023, Департамент образования и науки г. Москвы
3)Сорокин П.Б. «Применение методов моделирования на атомном уровне для описания физических свойств новых материалов» // Форум-выставка Новых Материалов и Технологий AMTEXPO, г. Москва, 17 ноября 2023 г.