清华大学微纳米力学与多学科交叉研究团队

在石墨层间解离能研究上取得重大进展

清华新闻网9月17日电 近日,清华大学微纳米力学与多学科交叉研究中心(简称CNMM)郑泉水教授与美国宾夕法尼亚大学David J. Srolovitz教授的联合研究团队在石墨层间解理能研究上取得重大进展,相关工作以"Measurement of the cleavage energy of graphite"(石墨层间解离能的测量)为标题发表在国际著名期刊《自然通讯》(Nature Communications)上。清华大学CNMM暨航天航空学院的博士生王稳为文章的第一作者。

a图:石墨样品由在平面基底上的两层矩形单晶石墨薄片堆垛而成。

b图:在超润滑状态下驱动下层石墨片层相对于上层石墨片层运动来测量石墨的解离能。

c图:利用原位校准的力传感器测量片层相对运动时的剪切力,同时控制实验环境温度和真空度。

石墨是由多层石墨烯堆积而成,每层石墨烯面内在很强的sp2键作用下碳原子紧密排布形成蜂窝状的结构,相比于面内较强的化学键相互作用,石墨层间相互作用则为很弱的范德华作用。这种面内相互作用很强而面外相互作用很弱的强烈对比导致了石墨很多奇特的物理和力学特性。石墨层间解理能是一个非常重要且基本的物理参数,精确测量石墨层间解理能对理解石墨、石墨烯、碳纳米管等碳类材料特殊的性质有重要的意义。

长久以来,石墨层间解理能争论较大。从理论的角度来看,难点在于恰当地包含面内较强的短程化学键相互作用和面外相对较弱的长程范德华相互作用,前者是由于电子云的重叠引起的,而后者是由于电荷涨落,即色散相互作用/力。从实验角度来看,尽管已经发展了很多实验方法测量石墨层间的相互作用能量,但是绝大多数方法都不是直接测量,需要建立相应的理论模型并结合实验测量才能得到结果。目前还没有看到直接测量石墨层间解离能的报道,而以前间接测量得到的石墨层间能量分散性很大,这一结果是不能让人信服的。

郑泉水教授领导的研究组长期致力于石墨超润滑特性研究,取得了长足的进展,精确测量石墨层间解离能也引起了郑教授极大的兴趣。基于近期发现的微米级石墨样品的自回复现象和超润滑性质,研制相关的测量设备,郑教授研究组实现了石墨层间解离能的精确测量。研究发现非共度状态下石墨层间解理能在实验测量的范围内几乎不随温度、非共度角、尺度、真空度的改变而变化。该实验测量得到的石墨层间解理能为直接测量,精度高,为判定多类基于第一原理的计算模型是否合理提供了一个基准。

该项研究获得国家重大基础研究计划和唐仲英基金会资助。

文章链接:http://www.nature.com/ncomms/2015/150828/ncomms8853/full/ncomms8853.html

供稿:微纳米科学与技术研究中心 编辑:田心

 

2015年09月17日 11:02:34  清华新闻网

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