Grafeen schermt gedeeltelijk Van der Waals-interacties af, afhankelijk van de laagdikte, zo blijkt uit onderzoek

Het is bekend dat tweedimensionale (2D) materialen, die slechts enkele atomen dik zijn, unieke elektrische, mechanische en optische eigenschappen vertonen, die aanzienlijk verschillen van de eigenschappen van bulkmaterialen. Sommige recente onderzoeken hebben ook de ’transparantie’ van deze materialen voor intermoleculaire interacties onderzocht, zoals van der Waals (vdW) krachten – zwakke krachten die voortkomen uit fluctuerende elektrische ladingen, die de aantrekkingskracht tussen moleculen of oppervlakken veroorzaken.

Het bepalen van de mate waarin deze krachten worden afgeschermd door atomair dunne materialen zou belangrijke implicaties kunnen hebben voor de ontwikkeling van verschillende technologieën op basis van 2D-materialen.

Onderzoekers van de Universiteit van Peking, de Nanjing Universiteit voor Luchtvaart en Ruimtevaart en de Tsinghua Universiteit hebben onlangs onderzoek gedaan naar de vraag of 2D-grafeensystemen vdW-interacties volledig overbrengen, gedeeltelijk afschermen of blokkeren.

Hun bevindingen, gepubliceerd in een papiertje erin Fysieke beoordelingsbrievenlaten zien dat grafeenlagen in 2D-systemen 15-50% van de vdW-krachten afschermen, afhankelijk van hun dikte, waardoor gedeeltelijke transparantie wordt geboden.

“Onze studie werd geïnspireerd door een debat dat bekend staat als de ‘bevochtigende transparantie’ van grafeen (dat wil zeggen: de contacthoek van waterdruppels op een substraat blijft onveranderd wanneer het substraat wordt bedekt met een enkele laag grafeen”, vertelde Zhaohe Dai, senior auteur van het artikel, aan Phys.org.

“De afgelopen tien jaar hebben verschillende groepen melding gemaakt van volledige transparantie, gedeeltelijke transparantie of zelfs ondoorzichtigheid, wat tot aanzienlijke verwarring heeft geleid. De gemeenschap heeft zich geleidelijk gerealiseerd dat de kern van deze kwestie een diepere en fundamentelere vraag ligt: ​​hoe verandert een coating uit één atomaire laag de oppervlakte-energie van het onderliggende substraat?”

Bevochtigingsexperimenten, die de interacties van vloeistoffen met een vast oppervlak onderzoeken, zijn ineffectief gebleken voor het direct onderzoeken van de effecten van atomaire laagcoatings op de oppervlakte-energie van substraten, vanwege de complexe interacties tussen vloeistoffen en vaste stoffen. Een betere benadering om deze effecten te onderzoeken is afhankelijk van de directe meting van vdW-krachten met behulp van gevestigde klassieke sondes.

Als onderdeel van hun recente onderzoek wilden Dai en zijn collega’s specifiek bepalen hoe een dunne grafeencoating de vdW-interacties van een onderliggend vast substraat beïnvloedde. Om dit te doen, gebruikten ze een techniek die bekend staat als colloïdale atomaire krachtmicroscopie (AFM).

“Met andere woorden, we wilden verduidelijken hoe grafeen de vdW-krachten van het substraat dat het bedekt afschermt (of lekt), en daarmee de transparantie van grafeen voor vdW-interacties kwantificeert”, zegt Dai.

“Om dit te doen, gebruikten we een AFM-opstelling. Het idee is eenvoudig: we bevestigden een silicabol ter grootte van een micrometer aan het uiteinde van een cantilever, waardoor een gekalibreerde sonde ontstond waarvan de geometrie en stijfheid precies bekend waren.”

De onderzoekers brachten deze sonde dicht bij het testoppervlak in omstandigheden met een ultralage luchtvochtigheid (minder dan 10%), waardoor werd voorkomen dat watermoleculen de metingen verstoorden. Ze keken naar twee verschillende monsters: één bestaande uit grafeen ondersteund op silica (SiO₂) substraat en de andere van grafeen opgehangen in kleine cirkelvormige holtes.

“Met behulp van deze monsters hebben we twee complementaire soorten metingen uitgevoerd”, legt Dai uit. “De eerste zijn trekproeven, waarbij we de kracht meten die nodig is om de bol los te maken van het oppervlak.

“Door zwevend en ondersteund grafeen te vergelijken, konden we identificeren hoeveel de onderliggende SiO₂ substraat droeg bij aan de totale hechting. De tweede zijn intrektests, waarbij we volgden hoe de aantrekkingskracht tussen de bol en het oppervlak toenam naarmate de opening ertussen kleiner werd.”

De door de onderzoekers verzamelde metingen leverden consistente resultaten op, waaruit blijkt dat grafeen substraatkrachten overdraagt. Toch leverden de pull-in-tests de meest betrouwbare en kwantitatieve gegevens op, die gebruikt konden worden om een ​​transparantiefactor te extraheren. Dit is een waarde die aangeeft hoeveel van de vdW-interactie van het substraat “zichtbaar” blijft door een grafeenfilm bestaande uit N-atoomlagen.

“De belangrijkste bevinding is dat de transparantie van de interactie tussen grafeen en vdW geen vast getal is, maar eerder afhangt van hoe ver de twee op elkaar inwerkende oppervlakken zijn en hoe dik de grafeenfilm is”, zegt Dai. “Als een substraat bedekt met een enkele laag grafeen bijvoorbeeld een interactie aangaat met een ander oppervlak over een opening van ongeveer 5 nanometer, ‘lekt’ het grafeen nog steeds ongeveer 85% van de vdW-kracht van het substraat.”

Deze studie van Dai en zijn collega’s zou verschillende implicaties kunnen hebben voor toekomstig onderzoek en ontwikkeling. Ten eerste introduceert het een consistent theoretisch en experimenteel raamwerk voor het bestuderen van vdW-krachten in 2D-materialen. Bovendien benadrukt het het potentieel van atomaire laagcoatings voor het afstemmen van oppervlakte-eigenschappen, zoals hechting.

De methodologie van het team en de gegevens die ze verzamelden, zouden de weg kunnen vrijmaken voor verdere experimenten die de screeningmogelijkheden van 2D-materialen onderzoeken. Uiteindelijk zou hun werk ook kunnen bijdragen aan het ontwerp van apparaten op nanoschaal die gebruik maken van adhesie en de overdracht van vdW-krachten.

“Nu we een kwantitatief inzicht hebben in de transparantie van Van der Waals, zijn we van plan silica-oppervlakken (veel gebruikt in elektronische en fotonische apparaten) te ontwerpen met op maat gemaakte oppervlakte-eigenschappen door middel van coatings op atomaire schaal”, voegde Dai toe.

“In het bijzonder willen we onderzoeken hoe dergelijke coatings de affiniteit van het oppervlak met andere componenten, zoals functionele lagen of elektrische contacten, kunnen afstemmen, waardoor de hechting, compatibiliteit en prestaties in geïntegreerde systemen worden verbeterd.”