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電子顯微鏡可追蹤石墨烯差排結構

英國與日本研究人員聯手合作,利用穿透式電子顯微鏡以前所未有的解析度追蹤石墨烯(graphene)內的差排(dislocation)結構。此研究有助於科學家更佳瞭解 2 維材料的可塑性(plasticity)以及差排移動如何影響石墨烯的機械性質。

圖片來源:nanotechweb.org

材料因負載而造成的形變程度與方式通常與材料內差排的移動情形有關。雖然科學家們已以高解析穿透式電子顯微鏡(HRTEM)研究過 3 維樣本材料內的差排結構,但對於像石墨烯這種 2 維材料而言,研究其差排是一項更為艱難的挑戰。這是因為電子顯微鏡所使用的高能電子會迅速地破壞石墨烯等奈米碳材的結構。若要避免此類破壞,顯微鏡的電子加速電壓需降至 80 kV。然而,如此低的電子能量會造成顯微鏡球面像差以及色差的增加,因而導致成像模糊以及降低空間解析度。雖然新型電子顯微鏡內建可修正球面像差的硬體設備,但是由於色差效應的存在,此解析度依然不足以讓科學家們能判別石墨烯內單一碳原子的確切位置。

最近,英國牛津(Oxford)大學的 Jamie Warner 研究團隊與日本電子公司(Japan Electron Optics Laboratory)合作發現一個能減少色差效應的新方法。他們使電子探測樣本前先經過一單色儀,此步驟會縮減電子能量範圍並因而有效增進空間解析度。解析度的提升使得該團隊能首次以真實原子級解析度來研究石墨烯內的刃差排(edge dislocation)。刃差排是材料內一種特別的缺陷形式,會造成晶格結構的扭曲。

研究人員亦能測量出差排內碳原子間鍵結長度的伸縮量,並利用一種名為幾何相位分析(geometrical phase analysis, GPA)的影像處理技術繪製出因差排所造成的應變張量(strain tensor)。此外,他們也探討了當差排在晶格內移動時,應力場的變化情形。實驗所得之張力地圖與福爾曼(Foreman)差排模型所預測的理論結果大致相符。

實驗結果提供一詳細地圖,描述了石墨烯差排內原子的排列情形,並且有助於更加暸解材料的可塑性如何產生。他們最近正研究石墨烯內單一置換雜質(susbstitutional impurity)原子,以及這些原子如何在晶格中造成張力。Warner 補充說明,他們發現僅有數種缺陷結構會穩定存在。他們能在石墨烯中創造出高度無序區域,但在許多情況下,這些區域最終會恢復到原本的晶格狀態。該研究團隊目前正在製作關於碳材料中缺陷與雜質的類別目錄。詳見 Science|DOI: 10.1126/science.1217529。

譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:劉家銘
原文網址:TEM tracks dislocations in graphene—nanotechweb.org [2012-07-13]

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-07-30]

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