Статья опубликована в Письмах в ЖЭТФ
В данной работе мы изучили механизм образования алмаза в графене в процессе его индентирования. Мы применяли потенциалы машинного обучения, чтобы описать взаимодействия между атомами в системе.
Наше моделирование показало, что первоначально сформированное алмазное ядро возникает вблизи индентора и не проникает на всю толщину пленки графена. Структура алмазного зародыша сильно зависит от схемы наложения слоев графена и размера индентора.
Мы изучили два конкретных типа наложения слоев графена: ABC и AA'. Эти упаковки могут потенциально привести к образованию алмаза. Мы предположили, что эти упаковки будут образовываться спонтанно из-за смещения слоев при индентировании.
Для упаковки ABC сначала появился кубический алмазный зародыш с осью вращения третьего порядка, окруженный областями гексагонального алмаза (лонсдейлита). По мере продвижения индентирования росли как кубические алмазные, так и лонсдейлитовые области, см. рисунок (а).
a,б) атомная структура многослойного графена с упаковкой ABC (а) и AA' (б) при индентировании со сформированной алмазной областью. Сначала продемонстрирован срез структуры, вид сбоку. Затем вид плёнки сверху, где красными линиями показана область среза. По атомному окружению проведён анализ структуры, и синим цветом выделены атомы, принадлежащие структуре кубического алмаза, а оранжевым – атомы гексагонального алмаза; в) зависимость давления фазового перехода для случая индентора бесконечного размера (плоскость) от числа слоёв в графене
Упаковка AA' приводит к другим результатам. Сначала появлялся слой гексагонального алмаза с зеркальной симметрией, за которым следовало образование вокруг него кубических алмазных областей, см. рисунок (б). Толщина слоя лонсдейлита оставалась постоянной при увеличении давления индентирования, а доля кубического алмаза значительно увеличивалась. При малых размерах индентора гексагональный алмаз действовал как предшественник дефекта двойникования в кубических алмазных областях, в конечном итоге превращаясь в кубическую фазу алмаза.
Еще одним важным открытием стало значительно более низкое давление, необходимое для фазового перехода от многослойного графена со структурой AA' в лонсдейлит по сравнению с многослойным графеном со структурой ABC, трансформирующимся в кубический алмаз для тонких пленок, индентированных плоской поверхностью (представляющей предел бесконечно большого индентора), см. рисунок (в).
Мы показали, что это различие возникает из-за перераспределения электронов на поверхности лонсдейлита, что приводит к более низкой энергии поверхности гексагонального алмаза по сравнению с кубическим алмазом.
В настоящее время ученые владеют методами измерения рамановских спектров во время процесса индентирования с использованием оптически прозрачного объектива индентора. Спектры кубического и гексагонального алмаза можно различить. Следовательно, существует возможность экспериментальной проверки наших предсказаний. Мы надеемся, что это будет реализовано это в ближайшем будущем.
Comments