En grupp forskare från Osaka University, i samarbete med Kaneka Corporation, utvärderade grafens interplanära bindningsstyrka genom att mäta grafitens elastiska konstant, visar att den elastiska konstanten för monokristallin grafit (figur 1, överst) var över 45 gigapascal (GPa), som var högre än vad man vanligen trodde. Deras forskningsresultat publicerades i Physical Review Materials.

Grafit består av lager av grafen och skikten är bundna via svaga van der Waals (vdW) krafter, en allestädes närvarande attraktion mellan alla molekyler. Man trodde att den elastiska konstanten för grafitkristall inte översteg 40 GPa.

Detta beror på att de elastiska konstanterna som erhållits från experiment med konstgjord mycket orienterad pyrolytisk grafit (HOPG) var låga på grund av strukturella defekter i grafiten (som exemplifierat i figur 1, botten) och teoretiska beräkningar visade också att grafitens elastiska konstant var mindre än 39 GPa.

Eftersom en direkt egenskap hos en interplanar interaktion är den elastiska konstanten längs grafitens c -axel, som återspeglar styrkan mellan bindningen, den elastiska konstanten för grafit har använts för att validera föreslagna teoretiska tillvägagångssätt, och dess noggranna mätning är avgörande för en grundlig förståelse av vdW -interaktioner.

I den här studien, Kaneka Corporation skapade en högkvalitativ defektfri monokristallin grafit genom att värma högorienterade polyimid-tunna filmer vid höga temperaturer; dock, det var mycket svårt att mäta den elastiska konstanten för denna kristall (10 μm i diameter, 1μm i tjocklek) längs tjockleksriktningen.

Således, för att experimentellt få fram den elastiska konstanten för grafit, med hjälp av pikosekundlasers ultraljudspektroskopi, denna grupp applicerade en laser med 1μm i diameter på ytan av en flerskikts grafen under en 10 biljonedel av en sekund för att generera ultraljud med hög frekvens. Genom att noggrant mäta längdvågens ljudhastighet längs tjockleksriktningen, de fick den elastiska konstanten.

Även om man hade trott att grafitens interplanära bindningsstyrka var mycket svag, resultaten av denna studie visade att den hade en stark bindningsstyrka:den elastiska konstanten var nästan 50 GPa, som inte kan förklaras med konventionella teorier.

I den här studien, kortdistans-korrelationseffekten förstärkte selektivt den potentiella energiytan (PES). Denna anharmoniska PES förbättrade grafitens elastiska konstant. Med hjälp av ACFDT-RPA+U-metoden, de visade att den elastiska konstanten nådde 50 GPa på grund av den korta avståndskorrelationseffekten.

Huvudförfattaren KUSAKABE Koichi säger, "Vår forskargrupp visar att grafit uppvisar sin överlägsenhet i ett mycket kristallint tillstånd. Vi har skapat högkvalitativa, högkristallinitetsgrafit, som har starkare interplanar bindningsstyrka än man tidigare trott. Att tillämpa ultraljudsmätningstekniker på denna defektfria monokristallina grafit tunna film kommer att leda till produktion av mycket känsliga sensorer för att identifiera biologiskt material som proteiner i icke-destruktiv testning. "