Группе исследователей из США удалось визуализировать возвратно-поступательные движения атомов кремния, сгруппированных в порах графена. Как они считают, способность анализировать небольшие кластеры атомов могла бы улучшить наше понимание того, как различные пространственные структуры определяют свойства материала.

А способность проектировать кластеры с определенными свойствами в будущем может привести к созданию новых оптоэлектронных и электронных компонент.

Стоит отметить, что открытие имеет и непосредственное применение: понимание того, как ведут себя поры в графене, может привести к использованию данного удивительного материала в таких сферах, как очистка или опреснение воды.

Группа ученых из Oak Ridge National Lab (ORNL, США) добилась успеха в визуализации группы кремниевых кластеров в графене, каждый из которых содержит по 6 атомов.

Рис. 1. STEM-изображения кластеров, состоящих из 6 атомов кремния, внутри графеновых пор.

Графен представляет собой слой атомов углерода, образующих двумерную гексагональную кристаллическую решетку. В рамках описанного эксперимента кластеры атомов кремния располагались в порах этого материала, что позволило исследователям получить изображения при помощи просвечивающего сканирующего туннельного микроскопа с низким напряжением. Преимуществом данной исследовательской методики ученые считают возможность получить непосредственно кристаллографическую информацию об образце (т.е. определить позиции атомов).

Кроме того, методика обладает высокой чувствительностью к одиночным атомам, что позволяет напрямую посчитать, сколько атомов кремния входит в изучаемый кластер.

Стоит отметить, что это далеко не первый случай, когда ученые смогли взглянуть на кластеры атомов кремния в лабораторных условиях.

Однако, по мнению команды исследователей, предыдущие наблюдения были косвенными. Кроме того, в ходе ранних экспериментов не удавалось определить точную атомную структуру кластеров.

В ходе исследования научная группа сделала одно важное наблюдение: один из атомов кремния в кластере изменял свою позицию в структуре, двигаясь вперед и назад между двумя конкретными положениями. Используя самое общее приближение, команда рассчитала энергию взаимодействия кремниевого кластера с электронным пучком, а также количество энергии, необходимое для «переключения» одного атома в пределах кластера между двумя положениями.

Как считают сами исследователи, способность захватывать атомные кластеры внутри нанопор графена может привести к различным практическим применениям подобных структур, в том числе, в электронике, оптоэлектронике и катализе.

В будущем ученые планируют провести новые эксперименты с графеном, имеющим поры различного размера, куда можно будет разместить кластеры атомов с разным функционалом. К примеру, известно, что в порах графена подобным образом могут быть закреплены каталитически активные кластеры (что позволит изучить непосредственно их электронную и атомную структуру при помощи просвечивающего сканирующего туннельного микроскопа).

Также команда планирует изучить, каким образом взаимодействие между кремниевым кластером и графеном может быть использовано для поиска новых применений графена. В данный момент они планируют искать элементы, способные стабилизировать графеновые поры конкретного диаметра (как они считают, подобные поры могут использоваться в качестве эффективного молекулярного фильтра, в частности, для очистки или опреснения воды).

Подробные результаты работы ученых были опубликованы в журнале Nature Communications.