Диссертация (1145323), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Моделирование позволяет идеально воспроизвести все особенности этой картины СТМ приугле поворота 17.5∘ и = 1.05 Å. Таким образом, моделирование несоразмерныхинтерфейсов графена в рамках рассмотренного простейшего приближения позволяет достичь приемлемого качественного описания картины муара в хорошемсоответствии с экспериментальными СТМ изображениями.Рис. 3.15. Изображения СТМ, (a) измеренные при = 3.4 мВ, = 35 нА, (b) модель картинымуара, на которой показано атомное строение поверхности никеля (крупные сферы) и решеткаграфена (мелкие сферы), развернутая на угол 17.5∘ относительно подложки.Понять механизмы формирования доменов графена, имеющих два предпочтительных направления ориентации, наблюдающиеся в картине ДМЭ, позволяет теоретический расчет, проведенный совместно с А.М.
Добротворским спомощью предложенного им метода многоцентровых потенциалов [249]. Этотметод позволяет быстро вычислять полную энергию атомных кластеров, состоя96щих из большого числа атомов. Поверхность Ni(110) была смоделирована в видевстроенного кластера, образованного пятью атомными слоями. Встроенный цилиндрический кластер состоял из 539 атомов Ni, а охватывающий кластер, неучитываемый при вычислении энергии, – из 941. Полная энергия системы вычислялась в зависимости от угла поворота кластеров графена, включающих 13,37, 67 и 103 атомов.Полученные в расчете угловые зависимости полной энергии изображенына рис.
3.16. Можно видеть, что в процессе роста кластера графена происходитубывание амплитуды изменения энергии как функции угла поворота, а такжеуменьшение количества экстремумов. Это объясняется увеличением числа возможных мест адсорбции атомов углерода относительно подложки.Рис. 3.16. Зависимость полной энергии различных кластеров графена от угла поворота. Чернаялиния соответствует 103-атомному кластеру, серая – 67, пунктирная – 37, штриховая – 13.Также на рис. 3.16 видно, что абсолютный минимум при угле 22∘ являетсяхарактерным только для кластера самого большого размера.
В случае кластеровиз 13 и 37 атомов минимум расположен вблизи 10∘ , а следующие минимумы находятся вблизи 20∘ , но обладают большими, по сравнению с первым, значениямиэнергии. В процессе роста происходит понижение энергии второго минимума и97уменьшение высоты потенциального барьера между ними. В частности, для кластеров из 67 атомов угол 20∘ становится более выгодным, но им необходимазначительная энергия активации, чтобы попасть в более выгодное состояние изизначального положения при 10∘ . Сравнивая полученные результаты с картиной ДМЭ, можно сделать вывод, что большинство зародившихся островков впроцессе роста не могут изменить ориентацию, поэтому остаются в первом минимуме, соответствующем углу поворота вблизи 10∘ . Таким образом, итоговаяориентация доменов определяется углом поворота кластеров, размеры которыхне превышают 15 Å.3.3.1.2.
Графен на ступенчатых поверхностях никеляСтупенчатые поверхности монокристаллов представляют значительный интерес, поскольку их можно использовать в качестве шаблонов для формированияпериодических массивов нанообъектов путем самоорганизации слоя адсорбированных на них атомов или молекул [250, 251]. Такой подход широко используется, например, для получения нанопроволок толщиной один или несколькоатомов [252]. В случае синтеза графена на ступенчатой поверхности можно былобы ожидать формирования графеновых нанолент на террасах ступеней [77, 253].Синтез графеновых нанолент представляет огромный интерес, т.к.
в зависимости от ширины и структуры краев ленты можно получить полупроводниковыеструктуры с различной шириной запрещенной зоны.Для изучения возможности формирования графеновых нанолент на поверхности никеля были рассмотрены кристаллические грани Ni(755) и Ni(771). Нарис. 3.17a показано СТМ-изображение чистой поверхности Ni(755), полученноепри комнатной температуре. Видно, что поверхность образована периодическими ступенями шириной преимущественно около 2.5 нм, что вдвое превышаетожидаемый период ступеней моноатомной высоты, рассчитанный исходя из кристаллической структуры объема никеля. Это означает, что при комнатной температуре поверхность Ni(755) является периодически фасетированной с двойными98Рис. 3.17. СТМ-изображения (a) чистой поверхности Ni(755), (b) графена на поверхности Ni(755).(с) Профиль рельефа, построенный по линии, показанной на рис.
(b).ступенями. Анализ температурной зависимости картин ДМЭ показывает, чтопри повышении температуры до ∼ 300∘ C наблюдается поверхностный фазовыйпереход от двойных к одинарным ступеням шириной 12.4 Å. Синтез однослойного графена при температуре 550∘ C и давлении пропилена 10−6 мбар приводитк значительному изменению рельефа поверхности. Как показано на рис. 3.17bповерхность претерпевает сильное фасетирование с образованием непериодических террас большой ширины. Террасы образованы гранями никеля (111) и(311), как показано на рис.
3.17c. Аналогичное изменение рельефа наблюдаетсяпри формировании графена на ступенчатой поверхности Ni(771). В этом случаефасетирование происходит с выходом граней (110), (331) и (111) [23].Рассмотрим теперь как стыкуются между собой участки графена на смежных гранях фасеток. На рис. 3.18 показан участок поверхности системы графен/Ni(771) в месте стыковки граней (110) слева и (331) справа. Видно, что накраях плоскостей не происходит разрыва графенового слоя, т.е. графен покрываетфасетированную поверхность как сплошное одеяло. Эти результаты показывают,99Рис. 3.18.
СТМ-изображение системы графен/Ni(771), записанное в режиме регистрации отклонений туннельного тока.что фасетирование не только делает невозможным синтез графеновых нанолентодинаковой ширины описанным способом. Но более того, способность графенаизгибаться приводит к покрытию поверхности неразрывным графеновым слоем.
В этом нет ничего удивительного, т.к. образование оборванных углеродныхсвязей крайне невыгодно энергетически. Отсюда ясно, что для формированиянанолент их края должны быть пассивированы (например, водородом) и пассивирующий элемент должен сохраняться в процессе формирования лент. Этотребует иных способов синтеза, среди которых наиболее перспективным представляется полимеризация органических молекул, в том числе на кристаллических поверхностях [254].3.3.2. Графен и гексагональный нитрид бора на поверхности Ir(111)Значительные усилия в исследованиях наносистем направлены на разработку новых подходов к созданию периодических структур, образованных объектами нанометровых размеров.
В связи с этим, большое внимание привлекаюткристаллические поверхности с периодическими наноразмерными неоднород100ностями, которые могут стать платформами для создания различных самоорганизованных структур [255, 256]. Среди них большой интерес представляют т.н.наносетки (см. раздел 1.2.4) на основе графена или гексагонального нитрида бора, которые могут быть сформированы на поверхностях различных d-металлов[45, 201, 203].Эти материалы могут быть получены на многих металлических поверхностях методом CVD [55]. Хорошо известно, что несоответствие параметроврешетки подложки и 2D кристалла приводит к образованию структур муара спериодом до нескольких нанометров [245].
Экспериментальные исследованияс помощью СТМ указывают на значительную корругацию в таких системах[243, 257] с амплитудой, в некоторых случаях превышающей один ангстрем[84, 246]. Спектроскопические данные указывают на существенную зависимостьвеличины корругации от материала подложки (см.
рис. 1.7). Следует отметить,что несмотря на то, что ML-h-BN является широкозонным диэлектриком, приконтакте с металлом могут образовываться интерфейсные состояния, попадающие в запрещенную зону [202, 258].В целом электронная структура слоев h-BN, сформированных на различныхповерхностях, достаточно хорошо изучена на таких подложках, как Ni(111) [55],Au/Ni(111) [20], Pd(111) [259] и Ru(0001) [260]. В частности, в случае наносетки h-BN/Ru(0001), обнаружено, что электронные состояния расщепляются из-заразницы между локальными работами выхода различных участков элементарнойячейки сверхструктуры муара. В то же время по неясным причинам, в системеграфен/Ru(0001) никакого расщепления не обнаружено. Среди других систем наоснове графена широкое внимание привлекла система графен/Ir(111).
Например,поверхность этой наносетки была удачно использована для формирования решетки из нанокластеров [242]. Электронная структура этого интерфейса широкообсуждалась в литературе, в частности, в связи с т.н. запрещенными минизонами, обнаруженными в конусе Дирака этой системы [95, 261, 262] (см. рис. 1.8).Эти запрещенные минизоны формируются в точках пересечения основных зон101графена с реплицированными ветвями электронных состояний вследствие взаимодействия с подложкой. Однако детальный механизм таких явлений как появление реплицированных зон и запрещенных минизон остается неясным. Чтобыпролить свет на этот вопрос в следующих подразделах представлены результаты сравнительного изучения структурных и электронных свойств слоев h-BN играфена, сформированных на поверхности Ir(111).3.3.2.1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
