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超声波技术揭示了石墨的特性

超声波技术揭示了石墨的特性 大阪大学的一组科学家与Kaneka公司合作,评估了晶面间的粘结强度的石墨烯通过测量石墨的弹性常数,表明弹性常数的单晶石墨(图1,顶部)高于45吉帕斯卡(GPa),这是高于传统认为。他们的研究结果发表在《物理评论材料》上。 石墨由石墨烯层组成,各层通过弱范德华力(vdW)结合,这种力是所有分子间普遍存在的引力。认为石墨晶体的弹性常数不超过40 GPa。 这是因为使用人工高定向热解石墨(HOPG)实验得到的弹性常数较低,这是由于石墨存在结构缺陷(如图1,底部所示),理论计算也表明石墨的弹性常数小于39 GPa。 由于面间相互作用的一个直接特征是沿石墨c轴方向的弹性常数,它反映了层间键合强度,因此用石墨的弹性常数来验证所提出的理论方法,其精确测量对深入理解vdW相互作用至关重要。 在本研究中,Kaneka公司通过高温加热高取向聚酰亚胺薄膜,制备出了高质量的无缺陷单晶石墨;然而,很难测量晶体的弹性常数(直径10μm, 1μm厚度)沿厚度方向。 因此,为了实验获得石墨的弹性常数,采用皮秒激光超声波光谱,这组应用激光直径1μm多层石墨烯的表面一10 1000000000000秒产生超高频超声波。通过对纵波声速沿厚度方向的精确测量,得到了弹性常数。 虽然人们一直认为石墨的平面间键强度非常弱,但本研究的结果表明石墨的键强度非常强:弹性常数接近50 GPa,这是传统理论无法解释的。 在本研究中,短期相关效应选择性地增强了势能面(PES)。这种非简谐PES增强了石墨的弹性常数。他们使用ACFDT-RPA U方法证明,由于短期相关效应,弹性常数达到了50 GPa。 主要作者KUSAKABE Koichi说:“我们的研究小组表明,石墨在高结晶状态下显示出其优越性。我们已经创造出高质量、高结晶度的石墨,它的面间结合强度比我们之前认为的要高。将超声波测量技术应用于这种无缺陷的单晶石墨薄膜,将会产生用于识别生物物质(如蛋白质)的高灵敏度传感器。”
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