RU2772338C1 - Diamond-like films based on modified graphene - Google Patents

Diamond-like films based on modified graphene Download PDF

Info

Publication number
RU2772338C1
RU2772338C1 RU2021116347A RU2021116347A RU2772338C1 RU 2772338 C1 RU2772338 C1 RU 2772338C1 RU 2021116347 A RU2021116347 A RU 2021116347A RU 2021116347 A RU2021116347 A RU 2021116347A RU 2772338 C1 RU2772338 C1 RU 2772338C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
graphene
diamond
twisted
structures
films
Prior art date
Application number
RU2021116347A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Леонид Александрович Чернозатонский
Виктор Александрович Демин
Дмитрий Геннадьевич Квашнин
Original Assignee
Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Биохимической Физики Им. Н.М. Эмануэля Российской Академии Наук (Ибхф Ран)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Биохимической Физики Им. Н.М. Эмануэля Российской Академии Наук (Ибхф Ран) filed Critical Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Биохимической Физики Им. Н.М. Эмануэля Российской Академии Наук (Ибхф Ран)
Application granted granted Critical
Publication of RU2772338C1 publication Critical patent/RU2772338C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: nanotechnology.
SUBSTANCE: invention relates to nanotechnology and can be used to produce wide-band films of nanometer thickness for optical devices, dielectric substrates, interlayers in supercapacitors and layered heterostructures. In diamond-like films based on modified graphene, graphene layers are rotated relative to each other and are connected by interlayer covalent bonds formed during hydrogenation or fluorination of graphene. The rotation angles of graphene layers relative to each other are in the range from 20 to 40°.
EFFECT: such films have a high hardness and an ultra-wide forbidden bandwidth, the width of which exceeds the width of the forbidden bandwidth for known non-twisted and twisted graphene-based structures.
1 cl, 5 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области наноматериалов и может быть использовано для получения широко-зонных пленок нанометровой толщины для применения в качестве элементов оптических устройств, диэлектрических подложек, прослоек в суперконденсаторах и слоистых гетероструктурах в качестве механически прочных ультратонких углеродных пленок и в других областях науки и техники.The invention relates to the field of nanomaterials and can be used to obtain wide-gap films of nanometer thickness for use as elements of optical devices, dielectric substrates, interlayers in supercapacitors and layered heterostructures as mechanically strong ultrathin carbon films and in other fields of science and technology.

Алмазные пленки, имеющие широкий спектр применений в различных областях науки и техники, получают только в виде микронных поликристаллов или наноалмазов [S. Mandal, Nucleation of diamond films on heterogeneous substrates: a review RSC Adv., 2021, 11, p. 10159-10182]. Необходимость уменьшения толщины пленок диктуется дальнейшей миниатюризацией элементов на их основе с использованием уникальных свойств кристаллических нанопленок. В последние годы активно развиваются исследования в области разработки новых нанопленочных материалов на основе графена - алмазоподобных пленок нанометровой толщины, уникальные свойства которых открывают возможности их широкого применения в области нанофотоники [F. Piazza, et al. Progress on Diamane and Diamanoid Thin Film Pressureless Synthesis - C, 2021, 7, 9].Diamond films, which have a wide range of applications in various fields of science and technology, are obtained only in the form of micron polycrystals or nanodiamonds [S. Mandal, Nucleation of diamond films on heterogeneous substrates: a review RSC Adv., 2021, 11, p. 10159-10182]. The need to reduce the film thickness is dictated by the further miniaturization of elements based on them using the unique properties of crystalline nanofilms. In recent years, research has been actively developing in the development of new nanofilm materials based on graphene - diamond-like films of nanometer thickness, the unique properties of which open up the possibility of their wide application in the field of nanophotonics [F. Piazza, et al. Progress on Diamane and Diamanoid Thin Film Pressureless Synthesis - C, 2021, 7, 9].

В работе [L.A. Chernozatonskii, et al. Diamond-like C2H nanolayer, diamane: simulation of the structure and properties, JETP Lett. 90 (2009) p. 134-138] смоделирована и обоснована вычислениями современными квантово-химическими методами структура С2Н на основе биграфена, названная «диаман», образованная при адсорбции атомов водорода на двуслойный графен, в которой, как и в графане, каждый углеродный атом sp3-гибридизирован в тетрагональной конфигурации алмаза. В последние годы проведены исследования по созданию диаманов из двух или нескольких не повернутых друг относительно друга графеновых слоев, подвергнутых полному гидрированию [Piazza, F. et al. Low temperature, pressureless sp2 to sp3 transformation of ultrathin, crystalline carbon films. Carbon 2019, 145, 10-22] или фторированию [Bakharev P.V. et al. Chemically induced transformation of chemical vapour deposition grown bilayer graphene into fluorinated single-layer diamond. Nat. Nanotechnol. 15 (2020) p. 59-66].In [LA Chernozatonskii, et al. Diamond-like C 2 H nanolayer, diamane: simulation of the structure and properties, JETP Lett. 90 (2009) p. 134-138] modeled and substantiated by calculations using modern quantum-chemical methods, the structure of C 2 H based on bigraphene, called "diaman", formed during the adsorption of hydrogen atoms on two-layer graphene, in which, as in graphane, each carbon atom is sp 3 -hybridized in a tetragonal diamond configuration. In recent years, studies have been carried out on the creation of diamanes from two or more graphene layers not rotated relative to each other and subjected to complete hydrogenation [Piazza, F. et al. Low temperature, pressureless sp 2 to sp 3 transformation of ultrathin, crystalline carbon films. Carbon 2019, 145, 10-22] or fluorination [Bakharev PV et al. Chemically induced transformation of chemical vapor deposition grown bilayer graphene into fluorinated single-layer diamond. Nat. Nanotechnol. 15 (2020) p. 59-66].

Все больший интерес привлекают к себе т.н. муаровые диаманы, образующиеся при функционализации нескольких скрученных (twisted) относительно друг друга графеновых слоев. В патенте США [US 10562278 В2, опубл. 18.02.2020], взятом за прототип, описаны структуры, включающие слои графена, скрученные один относительного другого на фиксированный угол скручивания 9, составляющий от 0° до 16° или от 44° до 60°, и связанные друг с другом межслойными ковалентными связями, образующимися за счет химической функционализации графена путем гидрирования или фторирования. Хотя по механическим свойствам такие структуры, получившие название «муаровых» или скрученных структур, превосходят первоначально нефункционализированные не скрученные структуры, они, тем не менее, существенно уступают по этим показателям алмазу. Согласно данным, приведенным в работе авторов изобретения по прототипу [Machado et al. Tunable mechanical properties of diamond superlattices generated by interlayer bonding in twisted bilayer graphene Appl. Phys. Lett. 103, 013113 (2013)], модуль сдвига для них не превышает 250 ГПа, в то время, как для алмаза он составляет более 400 ГПа. Кроме того, запрещенная зона (диэлектрическая щель) для структур по прототипу, как следует из работы авторов [A.R. Muniz, Maroudas D. Opening and tuning of band gap by the formation of diamond superlattices in twisted bilayer graphene. Phys Rev B. 2012; 86(7): 75404], не превышает 1.2 эВ, что ограничивает возможность их применения в лазерной технике видимого и УФ-диапазонов, в светотехнике в компьютерной технике для изготовления оптических дисков и полноцветных твердотельных дисплеев, а также в других областях, где требуются широкозонные полупроводниковые материалы.Increasing interest is attracted by the so-called. moiré diamonds, which are formed during the functionalization of several graphene layers twisted relative to each other. In the US patent [US 10562278 B2, publ. February 18, 2020], taken as a prototype, structures are described that include graphene layers twisted relative to each other at a fixed twist angle 9, ranging from 0° to 16° or from 44° to 60°, and connected to each other by interlayer covalent bonds, formed due to the chemical functionalization of graphene by hydrogenation or fluorination. Although the mechanical properties of such structures, called "moiré" or twisted structures, are superior to the initially non-functionalized non-twisted structures, they, nevertheless, are significantly inferior to diamond in these indicators. According to the data given in the work of the authors of the invention on the prototype [Machado et al. Tunable mechanical properties of diamond superlattices generated by interlayer bonding in twisted bilayer graphene Appl. Phys. Lett. 103, 013113 (2013)], the shear modulus for them does not exceed 250 GPa, while for diamond it is more than 400 GPa. In addition, the band gap (dielectric gap) for structures according to the prototype, as follows from the work of the authors [A.R. Muniz, Maroudas D. Opening and tuning of band gap by the formation of diamond superlattices in twisted bilayer graphene. Phys Rev B. 2012; 86(7): 75404], does not exceed 1.2 eV, which limits the possibility of their use in laser technology in the visible and UV ranges, in lighting engineering in computer technology for the manufacture of optical discs and full-color solid-state displays, as well as in other areas where wide-gap semiconductor materials.

Далее по тексту термины «скрученный графен», «углы скручивания», «углы поворота», будут употребляться как русскоязычные эквиваленты для характеристики структур, обозначаемых англоязычным термином «twisted».Further in the text, the terms "twisted graphene", "twisting angles", "rotation angles" will be used as Russian-language equivalents to characterize the structures denoted by the English term "twisted".

Техническая проблема, решаемая настоящим изобретением, состоит в том, чтобы предложить алмазоподобные пленочные структуры на основе скрученного графена, характеризующиеся ультраширокой запрещенной зоной и высокими механическими свойствами, сопоставимыми с алмазом.The technical problem solved by the present invention is to provide diamond-like film structures based on twisted graphene, characterized by an ultra-wide band gap and high mechanical properties comparable to diamond.

Техническая проблема решена предлагаемым широкозонным пленочным наноразмерным материалом, представляющим собой структуру, в которой скрученные относительно друг друга графеновые слои связаны межслойными ковалентными углерод-углеродными связями, образующимися при гидрировании или фторировании графена, а углы скручивания графеновых слоев друг относительно друга лежат в интервале от 20° до 40°.The technical problem is solved by the proposed wide-gap nanoscale film material, which is a structure in which the graphene layers twisted relative to each other are connected by interlayer covalent carbon-carbon bonds formed during the hydrogenation or fluorination of graphene, and the twisting angles of the graphene layers relative to each other lie in the range from 20° up to 40°.

Технический результат изобретения состоит в том, что заявляемый материал характеризуется ультраширокой диэлектрической щелью (запрещенной зоной), превышающей ширину запрещенной зоны для скрученных структур по прототипу и известных диаманов на основе нескрученных графенов. Также материал характеризуется высокой твердостью, превышающей твердость диаманов на основе нескрученных графенов и структур по прототипу.The technical result of the invention is that the claimed material is characterized by an ultra-wide dielectric gap (gap) exceeding the band gap for twisted prototype structures and known diamans based on non-twisted graphenes. Also, the material is characterized by high hardness, exceeding the hardness of diamonds based on non-twisted graphenes and prototype structures.

Сущность изобретения поясняется следующими графическими иллюстрациями, на которых обозначение Dnθ соответствует предлагаемой в изобретении скрученной структуре, в которой угол скручивания слоев графена друг относительно друга равен θ:The essence of the invention is illustrated by the following graphic illustrations, in which the designation Dnθ corresponds to the twisted structure proposed in the invention, in which the angle of twisting of the graphene layers relative to each other is equal to θ:

На Фиг. 1 схематически показано атомное строение структур по прототипу и по изобретению (атомы водорода обозначены белыми кружками, атомы углерода верхнего слоя - черными, атомы углерода нижнего слоя - серыми).On FIG. 1 schematically shows the atomic structure of structures according to the prototype and according to the invention (hydrogen atoms are indicated by white circles, carbon atoms of the upper layer are black, carbon atoms of the lower layer are gray).

а - Структура гидрированного биграфена (прототип), угол скручивания θ=13.17°; вид сверху (вверху), вид сбоку (внизу); в ромбе выделена структура его элементарной ячейки С76Н6.a - Structure of hydrogenated bigraphene (prototype), twist angle θ=13.17°; top view (top), side view (bottom); the structure of its unit cell C 76 H 6 is highlighted in the rhombus.

б - Структура гидрированного биграфена по изобретению Dn21.8; вид сверху (вверху), вид сбоку (внизу); в ромбе выделена структура элементарной ячейки С28Н18. На вставке схематически показано взаимное «крестообразное» расположение С-С и С'-С' связей, относящихся к верхнему и нижнему слоям, соответственно. Cd-С'd - межслойные связи.b - The structure of the hydrogenated bigraphene according to the invention Dn21.8; top view (top), side view (bottom); the structure of the unit cell C 28 H 18 is highlighted in the rhombus. The inset schematically shows the mutual "cruciform" arrangement of C-C and C'-C' bonds belonging to the upper and lower layers, respectively. C d -C' d - interlayer bonds.

На Фиг. 2 схематически показано атомное строение пленок по изобретению:On FIG. 2 schematically shows the atomic structure of the films according to the invention:

а - Структура гидрированного биграфена по изобретению Dn27.8 (θ=27.8°); вид сверху (вверху), вид сбоку (внизу); в ромбе выделена структура его элементарной ячейки сверхрешетки С52Н30.a - Structure of hydrogenated bigraphene according to the invention Dn27.8 (θ=27.8°); top view (top), side view (bottom); in the rhombus, the structure of its unit cell of the C 52 H 30 superlattice is highlighted.

б - Структура гидрированного биграфена по изобретению Dn29.4 (θ=29.4°); вид сверху (вверху), вид сбоку (внизу); в ромбе выделена структура его элементарной ячейки сверхрешетки С388Н174.b - The structure of the hydrogenated bigraphene according to the invention Dn29.4 (θ=29.4°); top view (top), side view (bottom); the structure of its unit cell, the C 388 H 174 superlattice, is highlighted in the rhombus.

На Фиг. 3 представлены плотности электронных состояний (DOS спектры) структур по изобретению. Запрещенные зоны Eg выделены серым; а, б и в - гидрированные структуры Dn21.8 (Eg=3.2 эВ), Dn27.8 (Eg=3.3 эВ) и Dn29.4 (Eg=3.6 эВ) соответственно; г, д и е - фторированные структуры F-Dn21.8 (Eg=4.2 эВ), F-Dn27.8 (Eg=4.5 эВ) и F-Dn29.4 (Eg=4.1 эВ) соответственно.On FIG. 3 shows the electronic density of states (DOS spectra) of structures according to the invention. Forbidden zones E g are highlighted in gray; (a, b, and c) hydrogenated structures Dn21.8 (E g = 3.2 eV), Dn27.8 (E g = 3.3 eV), and Dn29.4 (E g = 3.6 eV), respectively; (d, e, and f) fluorinated structures F-Dn21.8 (E g =4.2 eV), F-Dn27.8 (E g =4.5 eV), and F-Dn29.4 (E g =4.1 eV), respectively.

На Фиг. 4 показана схема молекулярно-динамического моделирования механического воздействия щупа на диски алмазоподобных пленок (диаметр закрепленного по краям диска 3 нм). а - структура по изобретению Dn29.4; б - «нескрученный» диаман, описанный в [L.A. Chernozatonskii, et. al. Diamond-like C2H nanolayer, diamane: simulation of the structure and properties, JETP Lett. 90 (2009) p. 134-138] Вверху - первоначальный вид дисков в отсутствие воздействия (сила воздействия F=0); внизу - вид дисков после воздействия силой F=157 нН.On FIG. Figure 4 shows the scheme of molecular dynamics simulation of the mechanical action of the probe on the disks of diamond-like films (the diameter of the disk fixed at the edges is 3 nm). a - structure according to the invention Dn29.4; b - "untwisted" diaman described in [LA Chernozatonskii, et. al. Diamond-like C 2 H nanolayer, diamane: simulation of the structure and properties, JETP Lett. 90 (2009) p. 134-138] Above - the initial view of the disks in the absence of impact (impact force F=0); below - view of the disks after exposure to the force F=157 nN.

На Фиг. 5 показаны спектры структуры Dn21.8: а - спектр комбинационного рассеяния; б - ИК спектр. Штриховые линии соответствуют редким линиям спектров «нескрученного» диамана.On FIG. Figure 5 shows the spectra of the Dn21.8 structure: a - Raman spectrum; b - IR spectrum. The dashed lines correspond to rare lines in the spectra of the "untwisted" diaman.

Существенное отличие предлагаемых структур от прототипа, обеспечивающее достижение технического результата, состоит в выборе углов скручивания графеновых слоев друг относительно друга. Анализ материалов, приведенных в [US 10562278 В2, опубл. 18.02.2020], позволяет заключить, что пространственное расположение атомов углерода, принадлежащих к соседним слоям многослойной графеновой структуры по прототипу, в которой углы скручивания θ соответствуют диапазонам 0°-16° и 44°-60°, не позволяет достичь полной функционализации атомов углерода при гидрировании или фторировании. В структурах по прототипу (см. Фиг. 1а) обеспечивается стерическая возможность лишь частичного формирования алмазоподобных участков в пленке, которые оказываются окруженными графеновой матрицей, в которой нет полной функционализации атомов углерода водородом или фтором. Строение элементарной ячейки С76Н6 для структуры по прототипу, для которой угол скручивания θ=13.17° соответствует интервалу 0°-16°, выделено в ромбе на Фиг. 1а (вверху). Таким образом, структуры по прототипу включают как участки с sp3-гибридизированными атомами углерода - диамановые домены, как в не скрученных диаманах, так и участки, в которых остаются sp2-гибридизированные С-атомы. Как видно из рисунка на Фиг. 1а (внизу), поверхности такой биграфеновой структуры лишь частично функционализированы легкими атомами. Аналогичная картина наблюдается для структур с углами скручивания, относящимися к симметричному интервалу 44°-60°. Именно эти особенности структур по прототипу, обусловленные величиной угла скручивания из заявленного а прототипе интервала, негативно сказываются на свойствах материала: образующиеся структуры характеризуются относительно небольшой жесткостью в сравнении с нескрученным диаманом. [Machado et al. Tunable mechanical properties of diamond superlattices generated by interlayer bonding in twisted bilayer graphene Appl. Phys. Lett. 103, 013113 (2013)], а из-за наличия графенового окружения наноалмазных областей размер диэлектрической щели не превышает величины 1,2 эВ [A.R. Muniz, Maroudas D. Opening and tuning of band gap by the formation of diamond superlattices in twisted bilayer graphene. Phys Rev B. 2012; 86(7): 75404].The essential difference between the proposed structures and the prototype, which ensures the achievement of a technical result, is the choice of twisting angles of the graphene layers relative to each other. Analysis of the materials given in [US 10562278 B2, publ. 02/18/2020], allows us to conclude that the spatial arrangement of carbon atoms belonging to neighboring layers of a multilayer graphene structure according to the prototype, in which the twisting angles θ correspond to the ranges of 0°-16° and 44°-60°, does not allow achieving full functionalization of carbon atoms during hydrogenation or fluorination. In the structures of the prototype (see Fig. 1a) provides a steric possibility of only partial formation of diamond-like areas in the film, which are surrounded by a graphene matrix, in which there is no complete functionalization of carbon atoms by hydrogen or fluorine. The structure of the C 76 H 6 unit cell for the prototype structure, for which the twisting angle θ=13.17° corresponds to the interval 0°-16°, is highlighted in the rhombus in FIG. 1a (top). Thus, the structures of the prototype include both areas with sp 3 hybridized carbon atoms - diamane domains, both in non-twisted diamans, and areas in which sp 2 hybridized carbon atoms remain. As can be seen from the figure in Fig. 1a (bottom), the surfaces of such a bigraphene structure are only partially functionalized with light atoms. A similar picture is observed for structures with twist angles related to the symmetrical interval of 44°-60°. It is these features of the structures according to the prototype, due to the magnitude of the angle of twist from the declared in the prototype interval, that negatively affect the properties of the material: the resulting structures are characterized by relatively low rigidity in comparison with the untwisted diaman. [Machado et al. Tunable mechanical properties of diamond superlattices generated by interlayer bonding in twisted bilayer graphene Appl. Phys. Lett. 103, 013113 (2013)], and due to the presence of the graphene environment of nanodiamond regions, the size of the dielectric gap does not exceed 1.2 eV [AR Muniz, Maroudas D. Opening and tuning of band gap by the formation of diamond superlattices in twisted bilayer graphene . Phys Rev B. 2012; 86(7): 75404].

В отличие от прототипа, в предлагаемом нами решении при углах скручивания θ в интервале от 20° до 40°, при функционализации легкими атомами возникают особенные муаровые структуры, в которых открывается возможность формирования пленки со сплошной алмазоподобной кристаллической структурой. Они характеризуются таким взаимным расположением атомов углерода, при котором обеспечивается возможность их полной функционализации при гидрировании или фторировании, в результате чего расположенные во всех слоях углеродные атомы, исходно ковалентно связанные в гексагональную sp2-гибридизированную структуру, становятся sp3-гибридизированными, как в алмазе. В качестве иллюстрации на Фиг. 1б показана структура гидрированного биграфена по изобретению Dn21.8 (θ=21.8°). Как видно из рисунка на Фиг. 1б (вверху), при данном угле скручивания слоев друг относительно друга образуется муаровая структура, содержащая комплексы, в которых углеродные связи С-С и С'-С', находящиеся в соседних графеновых слоях, крестообразно расположены одна над другой (см. вставку на Фиг. 1б). При этом возникает сверхрешетка, элементарная ячейка которой C28H18 (выделена в ромбе на Фиг. 1б вверху) резко отличается от нескрученных или скрученных, как в прототипе, структур тем, что включает расположенные крестообразно практически под прямыми углами углерод-углеродные связи, относящиеся к соседним слоям. В каждой такой, расположенной крест-накрест паре углеродных связей, находящихся в соседних слоях, при химическом модифицировании водородом или фтором происходит энергетически выгодное присоединение пары атомов водорода или фтора, как это происходит, например, в графане с конфигурацией «лодка» [V.I. Artyukhov, L.A. Chernozatonskii, Structure and layer interaction in carbon monofluoride and graphane: a comparative computational study, J. Phys. Chem. A 114 (2010) 5389]. Это приводит к подвижке соседних с «крестом» углеродных атомов, близко расположенных друг над другом в соседних слоях, и их соединению - образованию межслойной Cd-C'd связи, в результате чего образуется алмазоподобная конфигурация. При этом, как показано на рисунке (Фиг. 1б внизу), обеспечивается возможность полной функционализации легкими атомами обеих поверхностей свернутой графеновой структуры, при которой формируется двумерная алмазоподобная пленка нанометровой толщины, не содержащей графеновых областей. Наличие по всей пленке напряженных Cd-С'd связей между расположенными в соседних слоях sp3-гибридизированными углеродными атомами обеспечивает, как будет показано ниже, высокие механические свойства материала, по которым он превосходит обычный нескрученный диаман, характеризующийся жесткостью, сравнимой с алмазом.Unlike the prototype, in our proposed solution at twisting angles θ in the range from 20° to 40°, functionalization with light atoms gives rise to special moiré structures, in which the possibility of forming a film with a continuous diamond-like crystal structure opens up. They are characterized by such a mutual arrangement of carbon atoms, which ensures the possibility of their complete functionalization during hydrogenation or fluorination, as a result of which the carbon atoms located in all layers, initially covalently bonded into a hexagonal sp 2 -hybridized structure, become sp 3 -hybridized, as in diamond . As an illustration, in FIG. 1b shows the structure of the hydrogenated bigraphene according to the invention Dn21.8 (θ=21.8°). As can be seen from the figure in Fig. 1b (top), at a given angle of twisting of the layers relative to each other, a moiré structure is formed containing complexes in which the C-C and C'-C' carbon bonds located in adjacent graphene layers are arranged crosswise one above the other (see inset on Fig. 1b). In this case, a superlattice arises, the unit cell of which C 28 H 18 (highlighted in a rhombus in Fig. 1b at the top) differs sharply from non-twisted or twisted, as in the prototype, structures in that it includes carbon-carbon bonds arranged crosswise almost at right angles, related to neighboring layers. In each such crosswise pair of carbon bonds located in adjacent layers, upon chemical modification with hydrogen or fluorine, an energetically favorable addition of a pair of hydrogen or fluorine atoms occurs, as occurs, for example, in graphane with a “boat” configuration [VI Artyukhov, LA Chernozatonskii, Structure and layer interaction in carbon monofluoride and graphane: a comparative computational study, J. Phys. Chem. A 114 (2010) 5389]. This leads to the movement of carbon atoms adjacent to the "cross", closely located one above the other in adjacent layers, and their connection - the formation of an interlayer C d -C' d bond, resulting in a diamond-like configuration. In this case, as shown in the figure (Fig. 1b below), the possibility of complete functionalization by light atoms of both surfaces of the rolled graphene structure is provided, in which a two-dimensional diamond-like film of nanometer thickness is formed, which does not contain graphene regions. The presence throughout the film of strained C d -C' d bonds between sp 3 hybridized carbon atoms located in adjacent layers provides, as will be shown below, high mechanical properties of the material, in which it surpasses the usual untwisted diamond, characterized by a rigidity comparable to diamond.

Аналогичная картина наблюдается и для других скрученных структур по изобретению, в которых угол скручивания θ находится в диапазонах 20°-30° и симметричном ему диапазоне 30°-40°. В качестве примеров на Фиг. 2 схематически показано строение предлагаемых структур Dn27.8 (Фиг. 2а) Dn29.4 (Фиг. 2б), в элементарных ячейках которых также присутствуют ориентированные крест-накрест под углами, близкими к прямому, С-С и С'-С' углерод-углеродные связи, расположенные в соседних графеновых слоях. Аналогично описанному выше примеру для структуры Dn21.8, в данных структурах при функционализации водородом или фтором также образуются напряженные межслойные Cd-C'd связи между sp3-гибридизованными, находящимися в разных слоях, соседними углеродными атомами, обуславливающие формирование нанопленочных материалов с полностью функционализированными верхней и нижней поверхностями (см. Фиг. 2а и 2б внизу).A similar picture is observed for other twisted structures according to the invention, in which the angle of twisting θ is in the ranges of 20°-30° and symmetrical to it in the range of 30°-40°. As examples in FIG. Figure 2 schematically shows the structure of the proposed structures Dn27.8 (Fig. 2a) Dn29.4 (Fig. 2b), in the unit cells of which there are also C-C and C'-C' carbon oriented crosswise at angles close to right -carbon bonds located in adjacent graphene layers. Similarly to the example described above for the structure Dn21.8, in these structures, upon functionalization with hydrogen or fluorine, strained interlayer C d -C' d bonds are also formed between sp 3 hybridized, located in different layers, neighboring carbon atoms, causing the formation of nanofilm materials with completely functionalized top and bottom surfaces (see Figs. 2a and 2b below).

В зависимости от конкретной величины угла скручивания θ, механические характеристики получаемых материалов могут отличаться друг от друга, но в любом случае, благодаря алмазоподобной структуре, превосходят по соответствующим показателям структуры по прототипу.Depending on the specific value of the twisting angle θ, the mechanical characteristics of the obtained materials may differ from each other, but in any case, due to the diamond-like structure, they are superior in terms of the corresponding indicators of the prototype structure.

Описанные особенности строения предлагаемых алмазоподобных структур оказывают существенное влияние на электронные и оптические свойства материалов. На Фиг. 3 сопоставлены электронные спектры плотности состояний (DOS спектры) структур по изобретению. Расчеты атомных структур и электронных спектров (диэлектрической щели) проводят с использованием квантохимических методов в рамках программы VASP [G. Kresse, J.

Figure 00000001
Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set, Computational Materials Science. 6 (1996) 15-50. G. Kresse, J. Hafner, Ab initio molecular dynamics for liquid metals, Phys. Rev. B. 47 (1993) 558-561. G. Kresse, J. Hafner, Ab initio molecular-dynamics simulation of the liquid-metal-amorphous-semiconductor transition in germanium, Phys. Rev. B. 49 (1994) p. 14251-14269]. Результаты обобщены в таблице.The described features of the structure of the proposed diamond-like structures have a significant impact on the electronic and optical properties of materials. On FIG. 3 compares the electronic density of states spectra (DOS spectra) of structures according to the invention. Calculations of atomic structures and electronic spectra (dielectric gap) are carried out using quantum chemical methods within the framework of the VASP program [G. Kresse, J.
Figure 00000001
Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set, Computational Materials Science. 6 (1996) 15-50. G. Kresse, J. Hafner, Ab initio molecular dynamics for liquid metals, Phys. Rev. B. 47 (1993) 558-561. G. Kresse, J. Hafner, Ab initio molecular-dynamics simulation of the liquid-metal-amorphous-semiconductor transition in germanium, Phys. Rev. B. 49 (1994) p. 14251-14269]. The results are summarized in the table.

Figure 00000002
Figure 00000002

Таким образом, структуры по изобретению характеризуются ультраширокой величиной запрещенной зоны, близкой к запрещенной зоне алмаза, и существенно превосходят по этому показателю прототипThus, the structures according to the invention are characterized by an ultra-wide band gap, close to the band gap of diamond, and significantly exceed the prototype in this indicator.

Механические свойства предлагаемых материалов оценивают с использованием молекулярно-динамического моделирования механического воздействия на материал как описано в [С. Lee, X. Wei, J.W. Kysar, J. Hone, Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene, Science. 321 (2008) 385-388]. На Фиг. 4 в качестве примера показаны результаты механического воздействия щупа на диски алмазоподобных пленок (диаметр закрепленного по краям диска 3 нм): а - структура Dn29.4 по изобретению; б - «нескрученный» диаман, описанный в [L.A. Chernozatonskii, et al. Diamond-like C2H nanolayer, diamane: simulation of the structure and properties, JETP Lett. 90 (2009) 134-138]. Вверху - первоначальный вид дисков в отсутствие воздействия (сила воздействия F=0); внизу - вид дисков после воздействия силой F=157 нН. Как видно из рисунка, в то время, как «нескрученный» диаман начинает разрушаться под щупом при критической глубине продавливания δкрит=0.43 нм, муаровый диаман по изобретению Dn29.4 лишь прогибается под таким же воздействием на глубину δ=0.34 нм без нарушения целостности пленки. Муаровые диаманы теряют целостность при большей приложенной силе, чем нескрученный диаман. Структуры по прототипу уступают нескурченному диаману по жесткости [US 10562278 В2, опубл. 18.02.2020], непосредственно связанной с прочностью материала. Таким образом, по механическим свойствам предложенные структуры превосходят прототип и нескрученный диаман.The mechanical properties of the proposed materials are evaluated using molecular dynamics simulation of the mechanical impact on the material as described in [C. Lee, X. Wei, JW Kysar, J. Hone, Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene, Science. 321 (2008) 385-388]. On FIG. Figure 4 shows, as an example, the results of the mechanical action of the probe on the disks of diamond-like films (the diameter of the disk fixed along the edges is 3 nm): a - Dn29.4 structure according to the invention; b - "untwisted" diaman described in [LA Chernozatonskii, et al. Diamond-like C 2 H nanolayer, diamane: simulation of the structure and properties, JETP Lett. 90 (2009) 134-138]. Above - the initial view of the disks in the absence of impact (impact force F=0); below - view of the disks after exposure to the force F=157 nN. As can be seen from the figure, while the “untwisted” diamond begins to collapse under the probe at a critical penetration depth δ crit = 0.43 nm, the moiré diamond according to the invention Dn29.4 only bends under the same impact to a depth of δ = 0.34 nm without violating integrity films. Moiré diamonds lose their integrity with more applied force than an untwisted diamond. The prototype structures are inferior to the non-twisted diamond in terms of rigidity [US 10562278 B2, publ. 02/18/2020], directly related to the strength of the material. Thus, the mechanical properties of the proposed structures are superior to the prototype and untwisted diaman.

Предлагаемые скрученные структуры могут быть получены известными способами, например, аналогично тому, как описано в патенте [US 10821709 В2, опубл. 03.11.2020], с отличием, которое состоит в обеспечении относительных углов поворота (скручивания) монослоев графена в диапазоне от 20 до 40°.The proposed twisted structures can be obtained by known methods, for example, in the same way as described in the patent [US 10821709 B2, publ. November 03, 2020], with the difference that lies in the provision of relative angles of rotation (twisting) of graphene monolayers in the range from 20 to 40°.

Наиболее точно предлагаемые структуры могут быть идентифицированы с помощью ИК и раман-спектров. В качестве примера на Фиг. 5 показаны раман-спектр (Фиг. 5а) и ИК спектр (Фиг. 5б) структуры по изобретению Dn21.8, имеющие явные отличия от аналогичных спектров «нескрученного» диамана, показанных на этих же рисунках в виде редких прерывистых полос. Наиболее активные частоты комбинационного рассеяния этих муаровых алмазоподобных структур имеют синий сдвиг относительно нескрученных диаманов.The most accurately proposed structures can be identified using IR and Raman spectra. As an example, in FIG. 5 shows the Raman spectrum (Fig. 5a) and IR spectrum (Fig. 5b) of the Dn21.8 structure according to the invention, which clearly differ from similar spectra of the "untwisted" diaman, shown in the same figures as rare discontinuous bands. The most active Raman frequencies of these moiré diamond-like structures have a blue shift relative to untwisted diamonds.

Благодаря сочетанию высокой механической прочности и широкозонной электронной структуры, предлагаемые алмазоподобные нанопленочные материалы имеют высокий потенциал применения в качестве элементов оптических и оптоэлектронных устройств, сверхчувствительных сенсоров, диэлектрических подложек в медико-биологических приложениях, прослоек в слоистых гетероструктурах, в качестве механически прочных прозрачных ультратонких углеродных пленок и в других областях науки и техники.Due to the combination of high mechanical strength and wide-gap electronic structure, the proposed diamond-like nanofilm materials have a high potential for use as elements of optical and optoelectronic devices, ultrasensitive sensors, dielectric substrates in biomedical applications, interlayers in layered heterostructures, as mechanically strong transparent ultrathin carbon films. and in other areas of science and technology.

Claims (1)

Алмазоподобные пленки на основе модифицированного графена, в которых графеновые слои повернуты относительно друг друга и связаны друг с другом межслойными ковалентными связями, образующимися при гидрировании или фторировании графена, отличающиеся тем, что углы поворота графеновых слоев относительно друг друга находятся в диапазоне от 20 до 40°.Diamond-like films based on modified graphene, in which the graphene layers are rotated relative to each other and are connected to each other by interlayer covalent bonds formed during the hydrogenation or fluorination of graphene, characterized in that the angles of rotation of the graphene layers relative to each other are in the range from 20 to 40° .
RU2021116347A 2021-06-07 Diamond-like films based on modified graphene RU2772338C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2772338C1 true RU2772338C1 (en) 2022-05-18

Family

ID=

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160207291A1 (en) * 2014-05-30 2016-07-21 University Of Massachusetts Multilayer Graphene Structures With Enhanced Mechanical Properties Resulting From Deterministic Control Of Interlayer Twist Angles And Chemical Functionalization

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160207291A1 (en) * 2014-05-30 2016-07-21 University Of Massachusetts Multilayer Graphene Structures With Enhanced Mechanical Properties Resulting From Deterministic Control Of Interlayer Twist Angles And Chemical Functionalization
US20200189240A1 (en) * 2014-05-30 2020-06-18 University Of Massachusetts Multilayer graphene structures with enhanced mechanical properties resulting from deterministic control of interlayer twist angles and chemical functionalization

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
АРТЮХ А.А., ЧЕРНОЗАТОНСКИЙ Л.А. Механические свойства алмазоподобных пленок, Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология, Сб. тезисов докладов двенадцатой международной конференции, г. Троицк, 2020, сс. 23, 24. L.A. CHERNOZATONSKII et al. Diamond-Like C2H Nanolayer, Diamane: Simulation of the Structure and Properties, JETP Lett., 2009, v. 90, no. 2, pp. 134-138. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Avouris et al. 2D Materials
Sorkin et al. Nanoscale transition metal dichalcogenides: structures, properties, and applications
Sorokin et al. Two-dimensional diamond—diamane: current state and further prospects
Lipatov et al. Quasi-1D TiS3 nanoribbons: Mechanical exfoliation and thickness-dependent Raman spectroscopy
Bafekry et al. Electro-optical properties of monolayer and bilayer boron-doped C3N: Tunable electronic structure via strain engineering and electric field
McCreary et al. Effects of uniaxial and biaxial strain on few-layered terrace structures of MoS2 grown by vapor transport
O’Hare et al. A stable “flat ″form of two-dimensional crystals: Could graphene, silicene, germanene be minigap semiconductors?
Jian et al. Strained MoSi2N4 monolayers with excellent solar energy absorption and carrier transport properties
Gaur et al. Electron–phonon interaction and double-resonance Raman studies in monolayer WS2
Liu et al. Thermal conductivity and tensile response of phosphorene nanosheets with vacancy defects
O’Neal et al. High pressure vibrational properties of WS2 nanotubes
Sorokin et al. Spontaneous graphitization of ultrathin cubic structures: A computational study
JP6358957B2 (en) Graphene composition
Osada et al. Phonon properties of few-layer crystals of quasi-one-dimensional ZrS3 and ZrSe3
Zhu et al. Excitons of edge and surface functionalized graphene nanoribbons
Liu et al. Exfoliated monolayer GeI2: theoretical prediction of a wide-band gap semiconductor with tunable half-metallic ferromagnetism
Suzuki et al. Structural instability of transferred graphene grown by chemical vapor deposition against heating
Botello-Méndez et al. Metallic edges in zinc oxide nanoribbons
Ben Jabra et al. Van der Waals heteroepitaxy of air-stable quasi-free-standing silicene layers on CVD epitaxial graphene/6H-SiC
Huan et al. Highly modulated dual semimetal and semiconducting γ-GeSe with strain engineering
Fan et al. Defects in graphene-based heterostructures: topological and geometrical effects
Cheng et al. Strain effects of vertical separation and horizontal sliding in commensurate two-dimensional homojunctions
Segura et al. Nonreversible transition from the hexagonal to wurtzite phase of boron nitride under high pressure: Optical properties of the wurtzite phase
Bui et al. Anisotropic crack propagation and self-healing mechanism of freestanding black phosphorus nanosheets
RU2772338C1 (en) Diamond-like films based on modified graphene