Графен больше не сможет прятать свои тайны: новый микроскоп продемонстрировал то, что раньше оставалось вне поля зрения.
Учёные из Университета Мэриленда представили инновационную технологию визуализации двумерных материалов, которая позволяет буквально заглянуть в их внутреннюю физику с почти атомной точностью. Разработка получила название инфракрасная торсионная силовая микроскопия (TFM-IR) и уже помогла исследователям увидеть детали структуры графена, которые ранее были недоступны даже самым современным оптическим методам. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Основная концепция метода выглядит необычно. Вместо привычного вертикального постукивания зонда по поверхности образца, учёные заставили микроскопический наконечник быстро вращаться и скручиваться из стороны в сторону. Одновременно материал облучали импульсами инфракрасного лазера. Когда химические связи внутри вещества поглощают инфракрасное излучение, они начинают вибрировать, а поверхность слегка деформируется. Новый прибор способен фиксировать не только вертикальные, но и горизонтальные смещения поверхности с разрешением, близким к одному нанометру.
Для проверки технологии команда сначала исследовала слюду. Этот минерал хорошо изучен и имеет химические связи, ориентированные в различных направлениях. Учёным удалось зарегистрировать четыре различных режима колебаний и разделить горизонтальные и вертикальные вибрации материала. Результаты совпали с предсказаниями компьютерной модели.
Однако наиболее интересные результаты были получены при изучении двухслойного графена. Это структура, в которой два листа графена слегка повёрнуты друг относительно друга. Такие системы называют муаровыми материалами. Они в последние годы стали одной из главных сенсаций физики и материаловедения благодаря своим необычным электронным свойствам, включая сверхпроводимость.
Обычная торсионная микроскопия показывала только характерную шестиугольную решетку графена. Новый TFM-IR открыл гораздо больше: исследователи впервые заметили, как различные химические связи внутри одного шестиугольника реагируют на инфракрасный свет. При этом удалось различить как связи внутри отдельных графеновых слоев, так и взаимодействия между ними. Фактически учёные получили уникальный «вибрационный отпечаток» графена.
Авторы исследования полагают, что эта технология поможет глубже понять природу муаровых материалов и будет полезна для производителей микросхем. Метод способен обнаруживать локальные дефекты и химические неоднородности в наноструктурах при комнатной температуре, что особенно актуально для разработки квантовых сенсоров, фотонных процессоров и других устройств нового поколения.
По словам руководителя исследования Мина Оуяна, новая технология не просто демонстрирует внешний вид материала, а позволяет определить его состав и раскрыть физические процессы, происходящие на наноуровне.
Фото: hi-tech.mail.ru
