Графен — материал толщиной всего в один атом, известный необычным сочетанием электрических, квантовых и магнитных свойств. Теперь ученые обнаружили еще одну странность: достаточно создать на нем крошечную складку, чтобы его электрическое поведение заметно изменилось.
Исследователи из США и Великобритании изучили микроскопические морщины в графене размером менее миллиардной доли метра. Оказалось, что простое изгибание материала способно создавать электрический заряд.
Это явление называется флексоэлектричеством: заряд возникает из-за изгиба или деформации вещества. Возможность такого эффекта в графене была предсказана еще около 20 лет назад, но убедительных прямых наблюдений до сих пор было мало.
Ученые создали естественные наноморщины на поверхности графена и подробно измерили их форму, локальную электрическую энергию и прохождение тока. Результаты сравнили с плоским графеном и дополнили компьютерным моделированием поведения электронов.
Разница оказалась значительной.
При сильном изгибе электроны немного смещались к одной стороне складки. В результате на противоположных сторонах возникали разные электрические заряды — почти как на двух полюсах крошечной батареи.
Особенно удивительной оказалась величина этого эффекта. Электрическая поляризация в наноморщинах могла быть до 10 миллионов раз сильнее, чем в гораздо более крупных системах, где наблюдается обычное флексоэлектричество.
Иными словами, складки становились своеобразными препятствиями для электричества и меняли то, как графен проводит ток.
Причем главным фактором оказался не общий размер складки, а то, насколько резко она изгибается. Чем сильнее кривизна на очень маленьком участке, тем заметнее менялись электрические свойства материала.
Это означает, что в будущем поведение графена потенциально можно будет настраивать не за счет добавления других веществ или химической обработки, а просто изменяя его форму на наномасштабе.
Такой подход может пригодиться при создании сверхтонких датчиков и других миниатюрных электронных устройств, где сама геометрия материала будет управлять прохождением электричества.
Однако исследователи предупреждают, что часть результатов основана не только на прямых измерениях, но и на расчетных моделях. Наноморщины настолько малы, что находятся почти на пределе возможностей современных методов наблюдения, поэтому выводы еще предстоит дополнительно подтвердить.
Тем не менее работа дает ученым возможность подробнее исследовать флексоэлектричество на квантовом уровне. Особенно интересно то, что создавать такие структуры искусственно не всегда обязательно: крошечные складки могут возникать в графене естественным образом.
Теперь задача исследователей — понять, как точно управлять их формой и использовать этот эффект для создания новых электронных технологий.
Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.
