2022-06-25 11:25

“热”石墨烯揭示了碳原子的迁移

"Hot" graphene reveals migration of carbon atoms

最近首次测量了石墨烯纳米材料表面碳原子的迁移。虽然原子的移动速度太快,无法用电子显微镜直接观察到,但当材料在微观热板上加热时,它们对材料稳定性的影响现在可以间接地确定下来。维也纳大学物理系研究人员的这项研究发表在《碳》杂志上。

碳是所有已知生命所必需的元素,主要以石墨或钻石的形式存在于自然界。在过去的几十年里,材料科学家创造了许多新的碳形态,包括富勒烯、碳纳米管和石墨烯。石墨烯一直是研究的重点,不仅因为它的优良性质,还因为它特别适合于实验和建模。然而,还无法测量一些基本过程,包括其表面碳原子的运动。这种随机迁移是扩散现象的原子起源。

扩散是指气体、液体或固体中原子或分子等粒子的自然运动。在大气和海洋中,这种现象确保了氧和盐的均匀分布。在技术行业中,它在钢铁生产、锂离子电池和燃料电池等方面都具有核心重要性。在材料科学中,固体表面的扩散解释了某些催化反应是如何进行的,以及包括石墨烯在内的许多晶体材料是如何生长的。

表面扩散速率通常取决于温度:温度越高,原子迁移得越快。原则上,通过在不同温度下测量这个速度,我们可以确定能垒,它描述了原子希望从表面的一个点到另一个点有多容易。然而,如果它们停留的时间不够长,这是不可能通过直接成像实现的,石墨烯上的碳原子就是这样。因此,到目前为止,我们的理解依赖于计算机模拟。这项新研究通过在电子显微镜内的一个微观热板上加热材料时间接测量它们的影响,克服了这一困难。

通过可视化石墨烯的电子结构,同时偶尔踢出原子,研究人员可以确定碳原子在表面移动的速度,从而解释高温下产生的空穴的填充。通过结合电子显微镜、计算机模拟和对成像过程与扩散相互作用的理解,可以测量能量势垒的估计。

“经过仔细分析,我们确定了0.33电子伏特的值,比预期的要低一些,”主要作者Andreas Postl说。这项研究也是研究中意外发现的一个例子,因为研究团队最初的目标是测量辐射损伤对温度的依赖性。“老实说,这并不是我们最初的研究目的,但这类科学发现往往是通过坚持不懈地追求微小但意想不到的细节而实现的,”资深作者托马·苏西总结道。