彎曲晶界——石墨烯強度的提升劑

        萊斯大學的最新研究證明在一些特例中彎曲晶界可以提高多晶體的強度，而這為石墨烯的強化提供了途徑，且同時會產生一個規模相當可觀的電子轉移能帶。

　　上圖中左側圖像是晶界的電腦模型，中間的圖像是晶界顯微模擬圖像，這二者被認為與實際的晶界近乎完美的匹配，而右側的圖像取自于康奈爾大學的科學家于2011年發表在Nature上的一篇論文。晶粒周圍凸出的藍色圓環是由于顯微鏡電子束照射樣品時產生的偏轉作用引起的。

　　萊斯大學的科學家們發現彎曲晶界可以提高半導體的強度和其他許多性能。

　　石墨烯是一種以單層原子形式存在的碳，然而罕見的是，石墨烯的晶格特征是由六個原子組成的無畸變圓環，就類似于鐵絲網的網孔。當采用化學蒸汽沉積法生長石墨烯時，通常是由許多相互獨立的晶核從熱觸媒沿著向外的方向各自獨立的生長，直到晶核長大并相互接觸。石墨烯晶粒像是有“領土觀念”一樣，在晶粒相互接觸的地方，同一排上的原子本質上并不相同，因此，為了形成連續的石墨烯平面，這些原子必須做出調整，這種調整就像是為了彌補角度差異而形成的好幾個不規則的原子環列的晶界。

　　萊斯大學的理論物理學家Boris Yakobson的實驗室已經確定了由七個碳原子組成的圓環是使石墨烯強度降低的薄弱點。Yakobson是萊斯大學材料科學與納米工程學院的教授，同時也是化學院的教授。然而，萊斯大學的最新研究證明了在一些特例中彎曲晶界可以提高多晶體的強度，而這為石墨烯的強化提供了途徑，且同時會產生一個規模相當可觀的電子轉移能帶。純的石墨烯能夠導電，但是電子的特性需要導電材料可以用一種可控的方式來開始或者終止電子流的輸送。而半導體材料恰好具備這種性質，研究者們已經開始致力于對石墨烯等二維半導體材料的這種性質的應用性研究。

　　Yakobson和他的實驗團隊發現：在某個特定的晶界角處，彎曲晶界會使晶體的強度升高通常是因為彎曲晶界釋放了晶體內的殘余應力。一位名叫Zhuhua Zhang的博士后研究員領導著這項研究，他說：“若晶界上的應力被釋放，石墨烯的強度就會提升，但是這只在晶界彎曲的條件下才成立”。

　　研究者們計算了每個晶界的力學強度來探尋它們之間相互影響的方式。相應的，有些晶界可能會相互纏結在一起，研究團隊測定了在高的應力條件下可能產生裂紋的區域。而不同的石墨烯面之間存在的表面能可以通過在晶界處形成空位或者位錯環而得到降低。當六原子環之中的某一個原子脫離原有原子環而進入相鄰的六原子圓環中去，就會產生一個新的原子結構單位。

　　在特定的條件下，晶界間的角度并不影響平直晶界，而是影響彎曲晶界。為了測定能帶和材料的抗拉強度等性質，研究者們模擬了彎曲晶界并且發現，整個多晶面都是由一些相同的小區域按周期性排列的方式形成。這種周期性體現在沿晶界長度方向上的區域重現。

　　該研究的一個重大突破是Zhang研究員模擬的一個彎曲晶界圖與2011年在自然雜志上發表的一篇論文中的不對稱晶界相吻合。掃描電子顯微鏡圖像顯示這兩種晶界原子結構中的位錯排列十分相似。Zhang博士解釋道：在圖像中的數百個位錯環中，只有一對位錯環沒有在其指定位置，這很大程度上可能是由于電子顯微鏡產生的電子束照射使得該位錯環發生了扭轉。

　　為了將萊斯大學實驗室中的研究成果轉化為實際生產力，研究者們開始尋找制備多晶石墨烯的方法，這需要嚴格的控制組分的排列方式，Yakobson坦承這并不容易。“但是，假設能夠使多晶金屬基底處形成的石墨烯晶核按照預先設定的規律生長，那么晶核長大后就可以獲得預期的晶體結構”Yakobson補充道。

　　該項目由美國空軍科學研究辦公室和能源部提供支持，實驗采用由國家科學基金會支持、萊斯大學肯尼迪信息技術學院管理的DAVinCI and SUGAR超級計算機組進行數據計算。