Статья опубликована в Diamond and Related Materials 123, 108880 (2022).
Наноструктурирование двумерных материалов в последнее время привлекает все больше внимания благодаря широкому спектру применений, включая полевые транзисторы, фотонные и фотоэлектрические устройства, биосенсоры, анализаторы свойств биомолекул, устройства хранения данных, перспективные материалы и микроэлектромеханические системы. Создание нанопористых слоев является важным инструментом для модификации свойств двумерных материалов.
В настоящем исследовании мы выявили возможность модификации параметров многослойного графена в зависимости от энергии ионного облучения и структурных особенностей и морфологии изначальной структуры. Максимальная плотность пор приблизительно равна дозе ионов, обнаруженной в блистерах. Размер пор зависит от размера доменов в графене и энергии ионов. После облучения также наблюдается образование более сложных структурных дефектов в нескольких слоях графена. Таким образом, использование CVD графена предоставляет возможности для контроля структуры и свойств материала, модифицированного высокоэнергетическими ионами.
Типичная структура графена после облучения ионами Xe с энергией a) 167 МэВ и b) 100 МэВ. Размер образовавшейся поры ~ 5×5 нм2. c,d) Поведение аморфизованной углеродной ленты, периодической только в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка (y-направление), в условиях отжига (подробнее см. текст).
Мы обнаружили, что уменьшение энергии падающего Xe от 167 до 100 МэВ достаточно сильно изменяет поведение системы. Облучение с такой энергией приводит к аморфизации структуры с почти полным отсутствием испарения углерода из структуры. Оставшийся в структуре аморфный углерод может превратиться обратно в систему sp2 после охлаждения (эффект заживления), либо перейти в другие фазовые состояния, которые в изобилии наблюдались в эксперименте.
Тем не менее, если рассмотреть только фрагмент края многослойной графеновой структуры (рис. b) рядом с ионным треком и провести долговременную молекулярную динамику, то можно получить некоторое представление о том, что происходит в облученном материале уже при охлаждении. На Рисунке c показана аморфизованная углеродная лента, периодическая только в направлении, перпендикулярном плоскости фигуры (y-направление), с параметром ячейки, равным 4,84 Å. Атомы углерода на левом краю ленты сгруппированы и связаны с "холодным" многослойным графеновым термостатом при комнатной температуре. Атомы на правом краю соответственно сгруппированы и соединены с термостатом материала в области дорожки сразу после облучения при температуре 4000 К. Затем проводится молекулярная динамика в течение нескольких наносекунд, за это время температура в дорожке понижается, а углерод в середине ленты отжигается и переходит в более благоприятные фазовые конфигурации. После серии расчетов, в которых варьировались исходная аморфная структура и время охлаждения, было замечено, что большая часть перехода полученной структуры в sp2 гибридизацию углерода на поверхности ленты (рис. d). Этот эффект может объяснить стабильность внешнего графенового слоя в экспериментах по облучению FLG. Ион Xe должен передавать заметно меньшую энергию внешнему слою, чем внутренним слоям, из-за каскадного эффекта, который также применим к остановке электронов. Внутренние слои подвергаются воздействию не только иона, но и электронов, выбитых из предыдущих слоев, что увеличивает значение средней потери ионов для ионизации. На внешний слой воздействует только ион, поэтому переданной энергии может быть недостаточно для испарения углерода из внешнего слоя, и аморфизованная структура может со временем переродиться в графен, как это происходит при численном моделировании. Это может объяснить наблюдение образований в нескольких слоях графена с неискаженным внешним слоем в местах падения ионов.
Comments