Используя метод просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), исследователи Великобритании и Японии достигли больших успехов в работах по определению скоплений дислокаций в графене с беспрецедентным до этого разрешением. Эта работа может помочь ученым понять, как меняется пластичность двумерных структур, а также как движение дислокаций влияет на их механические свойства.

Движение дислокаций в кристалле является ключевым механизмом в пластической деформации. Прочность и форма, в которую материал переходит при приложении нагрузки, часто связаны с тем, как дислокации – линейные дефекты, представляющие собой дополнительные («лишние») полуплоскости атомов, – движутся через материал.

Рис. 1. Схема краевой дислокации в трёхмерном объекте.

Благодаря использованию просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HR TEM) дислокации в трехмерных материалах изучены достаточно хорошо,

однако, исследование с помощью этого метода двумерных объектов, таких как графен, представляет для ученых значительно более сложную задачу.

Это связано с тем, что высокоэнергетический электронный пучок, используемый для построения изображений ПЭМ, быстро разрушает наноматериалы на основе углерода (графен и др.). Во избежание этого ученые вынуждены уменьшать разность потенциалов, обеспечивающую ускорение электронов в просвечивающем электронном микроскопе, до относительно низкого значения – около 80 кВ (минимально требуемого напряжения).

Рис. 2. Схема движения 2 краевых дислокаций в графене (Авт.: J. Warner).

Однако, это не является идеальным решением, так как использование низкоэнергетического электронного пучка приводит к появлению сферической и хроматической аберрациям, которые существенно смазывают получаемое изображение и уменьшают их пространственную разрешающую способность.

Несмотря на то, что новейшие электронные микроскопы содержат встроенное оборудование, корректирующее сферические аберрации, разрешение, достигаемое на них, является все-таки недостаточным: в «действии» все равно остаются хроматические аберрации.

В настоящее время Джэйми Уорнер (Jamie Warner) и его коллеги из Оксфордского университета (the University of Oxford) и Японской лаборатории оптоэлектроники (the Japan Electron Optics Laboratory) в Токио нашли способ уменьшить влияние хроматических аберраций, используя специально разработанный монохроматор, через который проходят электроны до того, как они «ударяются» об образец.

«Разработанная нами технология с использованием напряжения 80 кВ и монохроматора обеспечивает разрешение на суб-ангстремном уровне, что позволяет точно указать положение каждого конкретного атома углерода внутри решетки графена», – заявил Уорнер. «Мы применили улучшенную разрешающую способность ПЭМ для изучения краевых дислокаций (единственной формы дефектов, искажающей решетчатую структуру) в решетке графена. Подобные исследования впервые выполнены на атомарном уровне».

Разработка группы ученых под руководством Уорнера также позволяет измерить относительное изменение длины связей С-С внутри дислокаций, а с использованием специального метода обработки изображений – геометрического фазового анализа (GPA) – строить «карту напряжений», вызванных дислокациями.

«Во время исследований мы обнаружили, что можем не только строить карту тензора деформаций с чувствительностью до 1 атома, но и видеть, как эти области деформации движутся – дислокации «поднимаются» над плоскостью графенового листа внутри решетки», – сообщил ученый в интервью порталу nanotechweb.org. По словам Уорнера, экспериментальные «карты дислокаций», полученные ими, хорошо коррелируют с теоретическими расчетами, описанными в модели дислокаций Формена и Мейкина.

По мнению исследователей, описание динамики дислокационных пар на атомарном уровне поможет ученым лучше понять причины возникновения пластичности материала.

Сейчас группа Уорнера занимается изучением влияния отдельных примесных атомов на деформации внутри графена и составлением специального атласа дефектов и примесных атомов в углеродных материалах.

«Мы установили, что в решетчатой структуре графена устойчивы только несколько дефектных структур», – сказал Уорнер.

«Мы легко можем создавать высоко разупорядоченные области внутри графена, однако в большинстве случаев они «раскручиваются» и возвращаются в исходное состояние решетки», – добавил он.

Результаты данных исследований были опубликованы в Science в июле 2012 г.