Споры о перспективности графена в качестве потенциальной замены кремнию как основы будущей микроэлекторники продолжают будоражить лучшие умы научного мира. Так или иначе, но интерес к этому материалу не утихает, и с этим приходится мириться. В частности, представляет особый интерес определение граничной структуры графена, поскольку она во многом определяет его физические свойства.

Использование EELS (спектра потери энергии электронов, иногда ХПЭЭ – спектроскопия Характеристических Потерь Энергии Электронами) спектроскопии для определения краевой структуры графена (и других материалов, содержащих легкие элементы) до настоящего времени считалось бесперспективным, поскольку интенсивность сигналов невелика, а сам исследуемый образец значительно повреждался электронным лучом.

Рис. 1. а) Фотография края графена, полученная с помощью темпнопольной микроскопии, и ее сглаженная версия (b), на которой отмечены рассматриваемые в работе атомы углерода в различном окружении (с). Масштаб 0.5 нм. d) ELNES-спектры углерода на K-полосе для атомов в различном координационном окружении (соответствие по цвету).

В этом случае крайне перспективным видится использование метода ELNES (тонкой структуры спектра потери энергии электронов вблизи края поглощения). В зависимости от координационного окружения спектры ELNES изменяются (рис.1). В зависимости от позиции атома углерода изменяется интенсивность и ширина пиков D, S, σ* и π*. Кроме того, ученые, передвигая зонд электронного микроскопа поперек границы графена, сняли 100 спектров EELS с шагом 0.02 нм в течение 50 с (рис.2). Эти измерения подтверждают, что спектроскопия края графена с атомарным разрешением вполне реальна, даже несмотря на то, что сигналы в EELS спектрах нельзя полностью локализовать на отдельных атомах. Не менее интересно, что авторы статьи, вопреки распространенному мнению, не обнаружили следов атомов кислорода на краях графена, что, по всей видимости, связано с постоянным обновлением границы графена в ходе эксперимента. Таким образом, авторам статьи удалось расширить рамки применения метода ELNES. Если прежде исследователи могли лишь довольствоваться сравнением полученных спектров с эталонными, то теперь показана возможность безэталонного определения локальной структуры наноразмерного материала на примере краевой структуры графена.

Рис. 2. а) Фотография края графена, полученная методами темнопольной микроскопии, и его атомарная модель (b) с указанным направлением передвижения зонда. Масштаб 0.5 нм. c) Сигналы, полученные с помощью темнопольного микроскопа, по мере продвижения зонда от края графена (красный спектр). Восемь пиков соответствуют восьми атомам углерода, пересекаемым зондом (синий спектр – теоретический). d) ELNES-спектры, снятые на K-полосе, когда зонд находился на каждом из восьми атомов углерода. Для крайнего атома углерода (у которого лишь один соседний атом углерода) отчетливо заметен S-пик.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Kazu Suenaga & Masanori Koshino Atom-by-atom spectroscopy at graphene edge. – Nature (2010) doi:10.1038/nature09664; Published online 15 December 2010.