Атомный кран приподнял графеновый слой
Физики продемонстрировали управление полярной ковалентной связью между атомом золота, размещенном на кончике зонда атомно-силового микроскопа, и атомом углерода на поверхности графена, прикладывая различную разность потенциалов между ними. Они показали, что при достаточно сильной связи зонд способен приподнимать и отпускать графеновый слой. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Химические связи играют важную роль в формировании свойств молекул и кристаллов как целого. Управление параметрами химических связей поможет физикам и инженерам в создании новых материалов и устройств. И чем локальнее окажется управление, тем более миниатюрные устройства можно будет создавать. В предельном случае речь идет о возможности управления химической связью одиночных атомов.
Ученые уже несколько десятков лет идут по этому пути. Так, например, физики смогли управлять свойствами одиночной молекулы, поатомно меняя число ковалентных связей с помощью иглы сканирующего туннельного микроскопа. Кроме того, исследователи смогли визуализировать молекулу пентацена, изучая силу его связи с зондом при приложенном электрическом поле.
В новой работе физики из Германии и Дании при участии Мадс Брандбиге (Mads Brandbyge) из Датского технического университета смогли пойти дальше и провели эксперимент, в котором управляли силой связи между одиночными атомами золота и углерода, прикладывая электрическое поле. Атом золота находился на вершине тонкой иглы атомно-силового микроскопа, которая подводилась к поверхности графена. Поле создавалось путем подачи напряжения разной величины и знака между поверхностью и зондом.
Графен создавался путем нагрева карбида кремния до 1300 градусов по Цельсию. В этом случае на одной из его граней формируется слой сверхрешетки, состоящей их графеновых доменов. Помимо чистого графена авторы исследовали также его интеркалированную атомами лития форму. В таком графене атомы лития проникают в пространство между графеном и подложкой.
Исследование проводилось в бесконтактном режиме работы атомно-силового микроскопа. В нем зонд совершает механические колебания над поверхностью образца, не касаясь его. Несмотря на отсутствие контакта, на зонд действуют силы Ван-дер-Ваальса, которые влияют на частоту этих колебаний. Поскольку эти силы сильно зависят от расстояния от образца до зонда, это позволяет изучать свойства поверхности без ее разрушения.
Физики провели серию измерений частот и сил взаимодействия между иглой и поверхностью при различных напряжениях между ними на разных высотах для обеих форм графена. Измерения проводились в виде последовательности подвода и отвода зонда. При подаче отрицательного потенциала на образец кривые подвода и отвода практически полностью совпадали, как для частоты, так и для силы. Однако при подаче положительного потенциала кривые демонстрировали ярко выраженный гистерезис.
Авторы объяснили такое поведение, предположив, что положительный потенциал на образце усиливает связь Au-C, в то время как отрицательный – наоборот, ослабляет. В результате в первом случае во время отвода зонд подобно миниатюрному крану утаскивает за собой слой графена, деформируя его. На некотором расстоянии упругая сила, вызванная деформацией графена, превышает силу связи между атомами, и графен возвращается в исходное состояние. Интеркаляция ослабляет связь графена с подложкой, и это выражается в том, что в этом случае гистерезис выражен гораздо сильнее. Авторы исследовали этот процесс для различных приложенных напряжений, зондов и точек контакта с образцом. В частности, они выяснили, что сила взаимодействия практически не зависит от того, в каком месте решетки расположен атом углерода.
Для подтверждения своих предположений физики промоделировали этот процесс с помощью метода функционала плотности и метода неравновесных функций Грина. Кроме того, они воспользовались методом зарядового анализа по Хиршфилду, чтобы понять, что происходит с электронной плотностью при приложении электрического поля разных знаков. Результаты моделирований продемонстрировали хорошее согласие с экспериментом.
Авторы отмечают, что контроль химической связи на уровне одиночных атомов и возможность управления таким способом механической нагрузкой открывают дорогу к исследованию локальных искажений вещества. С точки зрения химии же полученные результаты дают инструмент для управления реакционной способностью и каталитической активностью на атомарном масштабе.
Ученые постоянно пытаются повлиять на химические процессы. Например, мы уже рассказывали, как они сделали это с помощью лазера. А о том, как можно управлять энергией ионизации атомов, помещая их в фотонный кристалл, мы писали в блоге «Менделееву и не снилось: что может сделать фотонный кристалл с энергией ионизации атома».
Марат Хамадеев
Ее до сих пор не удавалось зарегистрировать из-за акустичности, электро-нейтральности и отсутствия взаимодействия со светом
Физики экспериментально обнаружили в рутенате стронция Sr2RuO4 особый вид плазмона — демон Пайнса. Существование этой частицы было предсказано 67 лет назад, но из-за акустичности, электро-нейтральности и из-за отсутствия взаимодействия со светом ее до сих пор не удавалось зарегистрировать. Чтобы обнаружить демона, ученые применили метод спектроскопии характеристических потерь энергии электронов с разрешением по импульсу. Статья опубликована в журнале Nature. В 1952 году американские физики Дэвид Пайнс и Дэвид Бом описали коллективное поведение электронного газа в плазме, которое можно представить в виде квазичастицы, которую назвали плазмоном. Некоторые виды плазмонов уже научились регистрировать. В 1956 году Пайнс предположил, что в металлах могут существовать особые плазмоны, которые возникают при колебании электронов из разных зон в противофазе, что приводит к модуляции заселенности этих зон. Такие плазмоны назвали демонами: они не обладают ни массой, ни электрическим зарядом, да и со светом не взаимодействуют, — поэтому их крайне сложно зарегистрировать обычными методами. Группа физиков под руководством Петра Аббамонте (Peter Abbamonte), профессора Университета Иллинойса, изучала рутенат стронция Sr2RuO4. Этот металл обладает тремя вложенными зонами, пересекающими энергию Ферми, и поэтому может быть кандидатом на появление в нем демона. Ученые использовали метод электронной спектроскопии потерь энергии электронов с высоким разрешением по импульсу в режиме отражения. Этот метод позволяет измерять как поверхностные, так и объемные возбуждения в металле при ненулевой передаче импульса q, где сигнатура демона ожидалась наиболее четкой. Спектры потерь энергии электронов при большой передаче энергии и больших переданных импульсах — более 0,28 единиц обратной решетки — демонстрируют бесхарактерный энергонезависимый континуум. При малых переданных импульсах — q менее 0,16 единиц обратной решетки — ученые обнаружили широкую плазмонную особенность с максимумом в районе 1,2 электронвольта. Ученые обнаружили, что в низкоэнергетическом режиме, при q менее 0,08 единицы обратной решетки, метод выявляет акустическую моду. Дисперсия моды оказалась линейной в большом диапазоне импульсов, с групповой скоростью примерно в 100 раз больше скорости акустических фононов, которые распространяются со скоростью звука, но на три порядка меньше, чем для поверхностного плазмона, распространяющегося со скоростью, близкой к скорости света. Однако скорость моды находится в пределах 10 процентов от предсказанной расчетами скорости для демона. Как отмечают ученые, это возбуждение явно электронное и это как раз и есть демон, предсказанный Пайнсом 67 лет назад. Наблюдение демона стало возможным, благодаря высокому разрешению в миллиэлектронвольт в используемом методе. Однако для дальнейшего изучения демонов ученые предлагают повысить точность, используя высокоэнергетические электроны в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе с высоким разрешением, работающем в расфокусированной конфигурации. Физики отмечают, что требуется новая теория демонов, которая точнее опишет полученные экспериментальные данные. Эти квазичастицы могут быть ответственны за возникновение сверхпроводимости и играть важную роль в низкоэнергетической физике многих многозонных металлах. Изучение демонов и других видов плазмонов важно для описания коллективного поведения электронов в разных веществах. Например, недавно мы писали как физикам удалось увидеть часть плазмонной матрицы плотности.