Структурные особенности графена
Структура границы графена
Листы графена бесконечного размера, не содержащие дефектов, неотличимы друг от друга. Реальные образцы графена имеют, разумеется, конечные размеры и отличаются друг от друга не только размерами, но также структурой границ. Эти отличия заметно влияют на характеристики графена и, в частности, на его электронные и транспортные свойства. Иногда по аналогии с однослойными углеродными нанотрубкамн (УНТ) для характеристики структуры границы графена используется угол хиральности. который определяется как угол ориентации линии границы графена относительно линии, составленной шестиугольниками, стоящими на вершинах и граничащими друг с другом. Это свойство графена иллюстрируется на рис. 5. где показаны фрагменты образцов графена с различной структурой границы. Среди таких структур выделяются зигзагообразная (zig-zag) и кресельная (armchair) структуры, для которых угол хиральности составляет 0° и 30° соответственно. Возможны также и промежуточные структуры, для которых угол хиральности находится в интервале между указанными значениями. Индивидуальный графен может обладать границами различной структуры, как это показано на рис. 3 справа. Для определения структуры границ графена используется спектроскопия комбинационного рассеяния (КР) . Структура границы графена определяет неоднородность его транспортных характеристик, что обусловлено различием в значениях постоянной решётки в различных направлениях.
Рисунок 5. Иллюстрация типов хиральности границ графенового листа и различных структур графена.
Структурные дефекты графена
Трудно надеяться на то, что графен достаточно большого размера будет иметь совершенную структуру.
Обычно, в зависимости от метода синтеза, температуры и других условий, поверхность графена содержит структурные дефекты, наличие которых отражается на его механических, электронных и транспортных характеристиках. Структурные дефекты изменяют электронный и фононный спектр графена, являясь центрами рассеяния для фононов и электронов, так что их наличие сказывается на транспортных характеристиках графена. На рисунке 6 представлены наиболее существенные типы структурных дефектов графена. Вакансионный дефект соответствует отсутствию атома углерода в гексагональной решётке графена. Дефект Стоуна-Уэльса соответствуют замене пары шестиугольников парой пятиугольник-семиугольник. Адсорбатный дефект образуется в результате присоединения атома, радикала или функциональной группы к поверхности графена. Поскольку все перечисленные дефекты приводят, как правило, к изменению расстояний между атомами в гексагональной ячейке графена, то это зачастую вызывает искажение его плоской структуры.
Рисунок 6. Структурные дефекты графенового листа: (а) фрагмент графена с присоединенным радикалом ОН; (б) дефект Стоуна-Уэльса; (в) вакансионный дефект.
Наряду с дефектами, показанными на рис. 6, в образцах графена могут существовать дефекты, образованные в результате изотопического либо химического замещения атомов углерода в структуре, а также дефекты дислокационного типа, которые проявляются в смешении фрагментов графенового слоя друг относительно друга. Наличие указанных дефектов также влияет на транспортные характеристики графена.