Исследователи из Университета Мэриленда представили новую технологию визуализации двумерных материалов, которая позволяет буквально заглянуть в их внутреннюю физику с почти атомной зоркостью. Разработка получила название инфракрасная торсионная силовая микроскопия (TFM-IR) и уже помогла ученым увидеть детали структуры графена, которые ранее оставались недоступными даже самым современным оптическим методам. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Главная идея метода выглядит необычно. Вместо привычного вертикального постукивания зонда по поверхности образца ученые 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 едва заметно 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 обладает химическими связями, ориентированными в разных направлениях. Ученым удалось зарегистрировать четыре различных режима колебаний и разделить горизонтальные и вертикальные вибрации материала. Результаты совпали с прогнозом компьютерной модели.
Однако самое интересное началось при изучении двухслойного графена. Речь идет о структуре, в которой два листа графена слегка повернуты друг относительно друга. Такие системы называют муаровыми материалами. Именно они в последние годы стали одной из главных сенсаций физики и материаловедения благодаря необычным электронным свойствам, включая сверхпроводимость.
Обычная торсионная микроскопия показывала лишь характерную шестиугольную решетку графена. Новый TFM-IR раскрыл гораздо больше: исследователи впервые увидели, как различные химические связи внутри одного шестиугольника реагируют на инфракрасный свет. Причем удалось различить как связи внутри отдельных графеновых слоев, так и взаимодействия между ними. Фактически ученые получили уникальный «вибрационный отпечаток» графена.
Авторы работы считают, что технология поможет лучше понять природу муаровых материалов, а также окажется полезной для производителей микросхем. Метод способен выявлять локальные дефекты и химические неоднородности в наноструктурах при комнатной температуре, что особенно важно для разработки квантовых сенсоров, фотонных процессоров и других устройств нового поколения.
По словам руководителя исследования Мина Оуяна, новая технология не просто показывает внешний вид материала, а позволяет определить его состав и раскрыть физические процессы, идущие на наноуровне.
О том, что такое графен и где он применяется, рассказывает обзор Hi-Tech Mail.