Wrinkles of graphene on Ir(111): Macroscopic network ordering and internal multi-lobed structure
Marin Petrović, Jerzy T. Sadowski, Antonio Šiber, Marko Kralj
Carbon 94 (2015) 856-563

Neke od glavnih karakteristika epitaksijalnog grafena na metalnim substratima su njegova uniformnost i visoka strukturna kvaliteta. Međutim, zbog visokih temperatura potrebnih za sintezu te jako malog koeficijenta termalne ekspanzije (tj. kontrakcije) grafena, dolazi do naprezanja prilikom hlađenja na sobnu temperaturu. To naprezanje se relaksira u vidu grafenskih nabora (wrinkles) koji predstavljaju deformacije inače planarne grafenske rešetke i kao takvi utječu na mnoga svojstva grafena poput električne i toplinske vodljivosti, optičke transmitivnosti te kemijske reaktivnosti. Također, ti nabori igraju važnu ulogu u interkalaciji grafena koja se često koristi za stvaranje hibridnih grafenskih sistema. Stoga je dobro razumijevanje grafenskih nabora važno za potencijalne primjene grafena.

U radu objavljenom u časopisu Carbon (IF = 6.196), M. Petrović, A. Šiber i M. Kralj s Instituta za fiziku u suradnji s J.T. Sadowskim iz Nacionalnog laboratorija Brookhaven (SAD) predstavljaju rezultate mikro- i nano-karakterizacije nabora grafena sintetiziranog na iridijevoj (111) površini. U eksperimentalnim mjerenjima su korišteni LEEM (low-energy electron microscope) i STM (scanning tunneling microscope) dok jednostavan analitički model omogućava razumijevanje energetike nabora. Pokazano je da se nabori, dužine reda veličine mikrometra, povezuju u uređenu heksagonalnu mrežu koja je poravnata sa substratom (vidi sliku 1). Ta se mreža može matematički opisati pomoću Voronoi dijagrama čime je znatno olakšana njena parametrizacija. Također je predložen novi model koji objašnjava opažene promjene u elektronskoj reflektivnosti grafena i povezuje ih s lokalnom relaksacijom grafenske rešetke prilikom nastajanja nabora.

Nadalje, utvrđeno je da strukturni detalji grafena i iridija (npr. čestice nečistoće i već postojeći nabori) djeluju kao centri nukleacije za nastajanje novih nabora. Na nano-skali, pojedinačni nabori se sastoje od više režnjeva (vidi sliku 2) koji su rezultat frustracije sistema do koje dolazi prilikom hlađenja s visokih temperatura sinteze. Energetski gledano, broj režnjeva je određen natjecanjem van der Waals međudjelovanja između grafena i iridija te energijom savijanja grafena. Sveukupno, ova studija daje novi uvid u svojstva grafenskih nabora i njihove mreže kao cjeline, što je čini relevantnom za budući razvoj uređaja baziranih na grafenu ali i drugim 2D materijalima.

Slika 1. (a) LEEM slika mreže grafenskih nabora (vidno polje: 9.3 μm), (b) Fourier transformat slike (a) sa izraženom heksagonalnom simetrijom, (c) polarni graf radijalnih suma dobivenih iz (b) i (d) shematski prikaz grafena (narančasto) na Ir(111) (sive kuglice) sa naznačenim smjerovima pružanja nabora (žuto).

 

Slika 2. STM prikaz (a) topografije i (b) prve derivacije topografije grafenskog nabora i (c) profil nabora kroz crvenu liniju naznačenu u (a). Na slikama se mogu razaznati četiri zasebna režnja koja čine nabor.