Sangat banyak properti, dan karena itu metode penggunaan sesuatu, tergantung pada bentuk objek ini. Semuanya sangat sederhana dan sama logisnya: roda bundar akan berguling lebih baik daripada roda persegi, dan sayap pesawat terbang memiliki bentuk tertentu yang meningkatkan aerodinamika. Bahkan pensil biasa memiliki bentuk segi enam, sehingga lebih nyaman untuk memegang di tangan Anda saat menulis dan tidak mencarinya di seluruh apartemen di bawah semua sofa dan lemari dalam pose orang yang pertama kali meluncurkan Dark Souls. Mengubah bentuk dapat menyebabkan perubahan properti, dan jika perubahan ini dikendalikan, maka Anda bisa mendapatkan properti tertentu yang Anda butuhkan. Inilah yang dilakukan para ilmuwan dalam studi yang sedang kami pertimbangkan saat ini. Mereka menciptakan model "elastisitas konstan" untuk kluster tembaga nanokristalin di bawah membran graphene. Bagaimana dan mengapa para ilmuwan "mengolesi" tembaga dengan graphene, hasil apa yang ditunjukkan percobaan praktis, apakah mereka setuju dengan perhitungan awal, dan apa artinya "sandwich" pada skala nanometer untuk sains? Jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini menanti kita dalam laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.
Dasar studi
Seperti yang dikatakan para ilmuwan sendiri, tidak ada yang lebih penting daripada struktur dan bentuk kristal fungsional (para ilmuwan memiliki prioritas hidup mereka sendiri, kita tidak akan berdalih). Selama sintesis benda-benda kecil ini, beberapa penyimpangan dari struktur keseimbangan dimungkinkan, yang bisa berupa minus yang sangat tidak menyenangkan atau plus besar. Jika Anda memahami esensi dari struktur keseimbangan, Anda dapat belajar untuk lebih memahami struktur ini, dan, akibatnya, memanipulasi mereka.
Peran penting dalam hal ini dimainkan oleh nanocrystals (NCs), yang dibagi menjadi beberapa kelas: nanocrystals tiga dimensi yang tidak didukung yang diperoleh dengan sintesis fase cair, dan didukung nanocrystals tiga dan dua dimensi yang diperoleh dengan pengendapan pada permukaan substrat.
Jika kita menghubungkan kata "kuantum" favorit kita dengan semua ini, maka kita akan menemukan yang berikut: untuk titik-titik kuantum, mis. didukung oleh
NCs tiga dimensi yang dibentuk oleh ketidakcocokan kisi di dalam
heteroepitaxy * , deformasi memainkan peran yang sangat penting dalam kontrol bentuk.
Heteroepitaxy * adalah jenis epitaxy (pertumbuhan satu bahan kristal di atas yang lain pada suhu rendah), ketika lapisan tumbuh berbeda dari substrat dalam komposisi kimia.
Dalam studi ini, para ilmuwan mempertimbangkan jenis baru nanocrystals tiga dimensi (cluster), yang terletak di bawah bahan berlapis. Dengan demikian, nanocrystals ini dikompresi di bawah satu atau beberapa lapisan tunggal (di atas) dan satu set lapisan semi-tak terbatas (di bawah).
Mengapa para ilmuwan melakukan ini, Anda bertanya. Mereka akan menjawab: tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengembangkan dan menganalisis model elastisitas konstan (PE), yang menggabungkan energi deformasi dari lapisan graphene atas, adhesi dan energi permukaan dari Cu (tembaga), graphene dan grafit, yang memungkinkan Anda untuk mengontrol bentuk kesetimbangan permukaan / cluster yang dienkapsulasi. .
Para ilmuwan berhasil membuat model seperti itu, setelah itu mereka menguji kelayakannya bukan di atas kertas, tetapi pada kenyataannya. Hasil apa yang ditunjukkan oleh analisis, dan perbedaan apa yang diamati antara teori dan praktik, kami akan pertimbangkan lebih lanjut.
Persiapan belajar
Pada awalnya, itu perlu untuk mempersiapkan grafit untuk interaksi dengan nanoclusters tembaga. Untuk ini, cacat diciptakan pada permukaannya dengan membombardir Ar +. Setelah itu, atom Cu bertabrakan dengan permukaan grafit, menembus beberapa cacat dan sudah berada di bawah permukaan grafit. Selama aksi ini, substrat grafit dipanaskan hingga 600-800 K. Rezim suhu ini dipilih karena suatu alasan: pulau-pulau (kelompok) Cu pada permukaan grafit mulai kasar pada suhu 550-600 K, oleh karena itu, putusnya ikatan Cu-Cu harus mudah dicapai pada 600 K dan lebih tinggi. Akibatnya, pulau tembaga terbentuk dalam penelitian ini pada suhu 800 K.
Gambar No. 1Dalam gambar STM
1a , kita tidak melihat piramida di permukaan planet merah, tetapi pulau-pulau tembaga yang profil STMnya ditunjukkan pada
1a ' .
Para ilmuwan mengarahkan perhatian kita pada bentuk pulau tembaga ini: segi enam datar. Perataan bagian atas dan, oleh karena itu, bagian bawah menunjukkan bahwa bagian tengah pulau dibatasi oleh lapisan substrat (bawah) dan lapisan graphene (atas). Kami juga melihat lereng membentuk cincin di sekitar puncak datar. Menurut pengamatan, ketebalan lapisan karbon di pulau-pulau ini bisa beberapa graphene monolayers, hingga tiga.
Selanjutnya, para ilmuwan menganalisis bentuk pulau ini (
1b ). Menjadi jelas bahwa ketinggian (h) bersisik hampir identik dengan lebar cincin (a). Selain itu, lereng (h / a), yaitu lereng sisi, konstan pada ukuran yang berbeda. Tetapi diameter, berbeda dengan lebar cincin, sisiknya buruk dengan tinggi, yaitu, rasio aspek d / jam tidak konstan. Grafik
1c menunjukkan rasio tinggi dan lebar cincin, dan grafik
1d menunjukkan tinggi dan lebar ujung pulau. Pada saat yang sama, sekitar 140 pulau tembaga dianalisis secara total.
Apa situasi sebenarnya dengan nanoformasi tembaga di bawah lapisan graphene sekarang jelas bagi kita. Setelah pengamatan ini, para ilmuwan melanjutkan untuk membuat model elastisitas konstan (PE).
Model PE
Dalam proses pemodelan, para ilmuwan memutuskan untuk menerapkan aproksimasi (aproksimasi) dari bentuk pulau tembaga, oleh karena itu, bukan piramida heksagonal yang digunakan, tetapi yang berbentuk silinder. Silinder tembaga tumbuh di antara membran satu / beberapa graphene monolayer dan substrat grafit.
Diasumsikan bahwa substrat grafit kaku, dan lapisan penutup (di atas pulau-pulau tembaga) mengalami deformasi lentur dan lentur elastis, yang memungkinkannya beradaptasi dengan pulau yang sedang tumbuh.
Klarifikasi kecil istilah: di masa depan, dalam pekerjaan mereka, para ilmuwan menyebut pulau-pulau itu agregat dari gugus Cu, membran graphene yang cacat dan substrat grafit, dan cluster - hanya bagian logam pusat.
Unsur penting dari bentuk pulau adalah kemiringan sisi. Lereng ini jauh lebih kecil daripada bidang datar indeks rendah (111) atau (100), yang secara alami berdampingan dengan permukaan atas (111) untuk kluster Cu yang didukung. Maka dari ini bahwa ruang annular diisi dengan tembaga bukan konfigurasi yang energik karena permukaan dengan indeks tinggi dan energi permukaan Cu.
Fitur penting lainnya adalah adanya lipatan cincin, salah satunya dapat dilihat di sudut kiri bawah pada 1a. Deformasi semacam itu menunjukkan bahwa membran (lapisan penutup) tidak dapat menerima pengaruh peregangan bahan yang mendasarinya, yang membatasi lipatannya.
Energi sistem (Π) dapat dimodelkan sebagai jumlah energi regangan elastis dari film graphene terdistorsi (U
e ) dan seperangkat variabel yang mewakili komponen antarmuka dan permukaan (IS - antarmuka / permukaan) dari total energi sistem. Antarmuka dan permukaan meliputi: tembaga murni, grafena - grafit (GnGt), tembaga - grafena dan tembaga - grafit (penunjukan keduanya adalah CuG). Energi IS berikut sesuai dengan yang di atas:
- biaya energi yang terkait dengan energi permukaan Cu, U Cu dan hilangnya adhesi Gn - Gt, U GnGt ;
- pengurangan energi yang terkait dengan adhesi Cu - Gn dan Cu - Gt, U GnGt .
Bersama-sama, mereka akan dirujuk dengan istilah umum - U
IS . Di bawah ini adalah rumus untuk energi total:
Π = U Cu + U GnGt + U CuG + U eBentuk kesetimbangan diperoleh dengan meminimalkan Π untuk volume tetap (V) dari kluster Cu.
Selanjutnya, U
IS , mis., Antarmuka dan komponen permukaan dari total energi sistem, dihitung. Setiap komponen tersebut dapat dinyatakan sebagai jumlah dari produk-produk energi permukaan (γ) atau energi adhesi (β) dikalikan dengan area yang sesuai.
Tabel No. 1: rumus untuk menghitung U IS (kiri) dan input data (kanan).Nilai γ dan β diperoleh dengan menggunakan teori fungsional kerapatan. Orientasi (111) cluster Cu diperoleh dari data eksperimen.
Kemudian, para ilmuwan menyimpulkan nilai Ue dengan menggunakan model perhitungan SLBT (tes blister dengan batang silinder dengan bagian atas datar), di mana batang silinder bergerak melalui lubang di permukaan padat, menekan membran elastis dan merusaknya.
Membran mengalami deformasi tarik dan lentur. Dalam model SLBT, kedua jenis deformasi ini diperkirakan sebagai kontribusi independen. Perhitungan menunjukkan bahwa deformasi lentur cukup kecil ketika ukuran struktur eksperimental diperhitungkan, oleh karena itu, pemodelan energi elastis membran total (U
e ) hanya mungkin dengan penyisihan regangan tarik.
Ruang annular dapat merespon pertumbuhan pulau tanpa batasan, tetapi adhesi antara bagian graphene di bagian atas pulau dan tembaga dapat mencegah perpanjangan lateral graphene. Jika peregangan berlangsung dengan bebas, maka bagian ini juga dapat secara bebas merusak bagian atas pulau.
Dengan pernyataan ini, rumus U diturunkan (No. 5 dalam tabel 1). Dari sini kita dapat memahami bahwa nilai U
e tergantung pada rasio Poisson (v), modulus elastisitas longitudinal (Y) dan ketebalan graphene (t). Nilai v adalah 0,165, Y - 1,1 TPa, karena ini sesuai dengan nilai eksperimental dari kepadatan cacat (7,3 ± 0,4) x10
3 μm
-2 .
Mengenai ketebalan graphene, kita sudah tahu bahwa graphene di atas pulau bisa lebih dari satu ketebalan monolayer. Ini memungkinkan kita untuk menghitung ketebalan lapisan atas dari struktur yang dipelajari menggunakan rumus t = L · t
GML , di mana L adalah jumlah lapisan graphene dan t
GML adalah 0,34 nm (jarak interlayer dalam kristalin grafit).
Hasil penelitian
Dan begitulah. Dengan data pengamatan diurutkan, dengan bagian perhitungan juga, saatnya untuk memulai hasil analisis semua ini secara agregat.
Dengan rumus U
IS dan U
e , serta data dari tabel 1 (kanan), Π menjadi fungsi dari hanya tiga parameter independen - a, h, dan d. Masalah ini dapat diatasi dengan mengatur nilai volume cluster secara akurat V = πhd 2/4, yang memungkinkan kita untuk menghilangkan h atau d. Dengan demikian, hanya dua parameter yang diperoleh, dan bukan tiga: Π = Π (a, h) atau Π = Π (a, d). Untuk demonstrasi, para ilmuwan menggunakan Π (a, h), dan volume klaster diambil dari data yang digunakan - 〈V
exp 〉 = 4x10
4 nm
3 (gambar No. 2).
Gambar No. 2Para ilmuwan mencatat hal yang sangat penting: ada nilai minimum tertentu Π, yang merupakan kondisi keseimbangan. Dengan minimum seperti itu, model elastisitas konstan memprediksi nilai-nilai berikut: a
eq = 38,8 nm, h
eq = 9,4 nm dan d
eq = 73,6 nm. Dalam percobaan, pulau-pulau, yang dekat dalam hal 〈V
exp 〉, memiliki parameter berikut: 〉a
exp 〉 = 31 ± 11 nm,
exp h
exp 〉 = 7,3 ± 2,6 nm, dan 〈d
exp 〉 = 88 ± 21 nm. Seperti yang bisa kita lihat, data teoritis dan praktis sangat sesuai.
Grafik
2c dan
2d menunjukkan dua bagian ortogonal melalui Π (a, h), yang masing-masing melewati minimum global.
Proses di atas dapat diulangi di seluruh jajaran volume kluster yang diamati secara eksperimental (1,8 × 10
3 nm
3 ≤ V ≤ 6,9 ×
5 5 nm
3 ). Oleh karena itu, dimungkinkan untuk membandingkan ukuran pulau yang diprediksi oleh model dan diamati dalam percobaan. Untuk perbandingan model dan eksperimen yang lebih sederhana, rasio ukuran pulau dan nilai h digunakan (gambar No. 3).
Gambar No. 3Grafik di atas menunjukkan h / a, d / h dan d / a untuk model dan percobaan. Grafik
3a -
3c adalah perbandingan data eksperimental dan model SLBT, di mana ekspansi membran berlangsung tanpa batasan, dan
3d -
3f sudah merupakan data eksperimental dan model dengan ekspansi terbatas.
Nilai h / a dalam percobaan adalah konstan dan sama dengan 0,24 ± 0,03 di seluruh rentang ukuran pulau. Secara teori, volume cluster 1 ≤ L ≤ 5 digunakan, dan kesepakatan terbaik antara indikator teori dan praktik ditemukan pada L = 4.
Dalam nilai d / h (dan sejajar dengan d / a), perubahan yang tidak biasa diamati. Seperti dapat dilihat dari grafik 3b, nilai eksperimental d / h dimulai pada 40, tetapi kemudian mulai menurun tajam dengan meningkatnya nilai h. Ketika h mencapai ≈ 10 nm, nilai d / h disamakan dengan 7,3 ± 2,8 (garis putus-putus horisontal pada 3b). Model teoritis menunjukkan nilai d / h dalam kisaran 5,6 hingga 8,0 untuk L = 1 ... 5.
Dengan model SLBT tetap, kinerja sangat mirip dengan model SLBT gratis. Satu-satunya perbedaan yang signifikan adalah bahwa untuk setiap nilai L, rasio h / a dalam model tetap sedikit kurang dari pada model gratis. Dengan demikian, kesepakatan terbaik antara teori dan praktik dalam kasus model SLBT tetap dimanifestasikan pada L = 3.
Untuk studi yang lebih rinci tentang penelitian ini, saya sangat menyarankan Anda melihat
laporan kelompok riset .
Epilog
Apa yang kita miliki bersama? Para ilmuwan telah menciptakan model teoretis yang sesuai dengan data eksperimen. Model ini menunjukkan bahwa bentuk kluster tembaga nanokristalin tetap ada, setidaknya dalam kasus skala di mana regangan lentur tidak terlalu kuat. Para peneliti juga menemukan bahwa delaminasi dalam ruang annular adalah reaksi terhadap perpindahan membran (lapisan penutup) secara eksklusif di wilayah pusat (lingkar dalam cincin) dan mencerminkan sifat-sifat graphene / grafit, dan bukan tembaga itu sendiri.
Selain itu, ditemukan bahwa pengamatan serupa yang dijelaskan di atas adalah nyata untuk sistem di mana kluster logam tertanam di dekat permukaan bahan tiga dimensi berlapis atau di bawah membran dua dimensi yang didukung, tetapi hanya di bawah kondisi bentuk kesetimbangan. Dalam hal ini, perlu (dan mungkin, seperti hasil yang ditunjukkan) untuk menggunakan sifat-sifat mekanis dari membran, daya rekat dan energi permukaan untuk memprediksi bentuk kesetimbangan dari tubuh yang dienkapsulasi, yaitu, kluster logam (dalam pekerjaan ini tembaga). Prinsip ini juga bekerja dalam arah yang berlawanan - seseorang dapat mengetahui energi dan sifat mekanik dengan mengukur ukuran cluster. Para ilmuwan memberikan contoh singkat: dengan mengukur h dan a dan mengetahui sifat mekanik membran, dimungkinkan untuk membentuk energi adhesi dari substrat membran.
Karya ini paling baik digunakan dalam teknologi modern yang mengandalkan bahan berlapis - grafit atau turunannya, seperti graphene. Dan jika kita memperhitungkan bahwa kecenderungan penurunan dimensi fisik perangkat elektronik belum menurun, maka penelitian semacam itu memiliki harga yang mahal, dan oleh karena itu kita akan menunggu penemuan mengejutkan baru dan eksperimen luar biasa.
Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan selamat bekerja, kawan!
Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda,
diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga musim panas gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di
sini .
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki
2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang
Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?