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