作為一種二維蜂窩狀晶格排列的單個(gè)碳原子層，石墨烯在加熱時(shí)會(huì)收縮。這是因?yàn)?，?dāng)碳原子發(fā)生熱振動(dòng)時(shí)，面內(nèi)恢復(fù)力較強(qiáng)，而面外恢復(fù)力較弱，從而導(dǎo)致面外振動(dòng)具有更大的振幅，這種極端不對(duì)稱行為導(dǎo)致石墨烯發(fā)生收縮。

2019年4月26日，來(lái)自德國(guó)、美國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這種不對(duì)稱性還會(huì)導(dǎo)致在石墨烯上形成C-H鍵時(shí)，會(huì)發(fā)生異常的有效能量損失路徑。探索C-H鍵形成將成為未來(lái)調(diào)控石墨烯性質(zhì)的新策略。這項(xiàng)成果發(fā)表在最新的Science雜志，并被選為封面文章。

當(dāng)H原子攜帶巨大能量撞擊石墨烯層，越過(guò)排斥能壘，開(kāi)始與石墨烯層中的碳原子發(fā)生強(qiáng)烈相互作用時(shí)，碳原子從sp2雜化變?yōu)閟p3雜化。因?yàn)閟p3雜化系統(tǒng)中，最佳C-C鍵比sp2雜化系統(tǒng)中更長(zhǎng)，所以這種變化導(dǎo)致相鄰碳原子發(fā)生面內(nèi)排斥。這種排斥引發(fā)面內(nèi)聲波，以聲速?gòu)淖矒舨课淮┻^(guò)石墨烯層。Hongyan Jiang等人發(fā)現(xiàn)，這種聲波在一個(gè)C-H振動(dòng)的時(shí)間尺度上（即在飛秒時(shí)間尺度上）促進(jìn)了大量的能量損失。

面內(nèi)聲波還伴隨著一種更慢的橫波，橫波由與H原子相互作用的C原子在垂直于表面的位移引發(fā)，支持面外振動(dòng)。理論研究表明，這種面外振動(dòng)對(duì)C-H鍵形成中能量損失的影響，然而，由于面外恢復(fù)力較弱，第二波比支持面內(nèi)振動(dòng)的聲波攜帶的能量更少。

HongyanJiang等人將石墨烯負(fù)載在鉑基底上，對(duì)石墨烯散射的氫原子的能量分布進(jìn)行了直接測(cè)量。結(jié)合理論模型表明，面內(nèi)振動(dòng)對(duì)于解釋觀察到的與C-H鍵形成有關(guān)的極其有效的能量損失是必不可少的。在10 fs的時(shí)間尺度上，以這種方式可以損失大量的能量，每個(gè)氫原子高達(dá)2eV。最終，大部分C-H鍵穩(wěn)定存在，即使在高沖擊能量下也會(huì)發(fā)生有效的H原子粘附。

HongyanJiang等人對(duì)石墨烯上C-H鍵形成過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)了一種全新的能量損失途徑。此外，他們還測(cè)量了該系統(tǒng)中C-H鍵形成的能壘，其計(jì)算的能壘范圍為0.15至0.37 eV。結(jié)果表明，對(duì)于鉑上的石墨烯，勢(shì)壘高達(dá)0.4eV，該結(jié)果為將來(lái)計(jì)算石墨烯中C-H鍵形成提供了基準(zhǔn)。

共價(jià)C-H鍵的形成可以改變石墨烯的電子、磁性和化學(xué)性質(zhì)。石墨烯的氫官能化可以實(shí)現(xiàn)帶隙工程并將石墨烯轉(zhuǎn)化為半導(dǎo)體，增加自旋電子學(xué)中使用石墨烯的自旋軌道耦合，誘導(dǎo)磁性，并增加石墨烯-金屬鍵合以增強(qiáng)防腐石墨烯涂層。在所有這些情況下，其上放置石墨烯的基板在確定氫官能化結(jié)構(gòu)和由此導(dǎo)致的石墨烯性質(zhì)變化中起主要作用。

這項(xiàng)研究成果為將來(lái)研究底物如何影響C-H鍵形成的動(dòng)力學(xué)鋪平了道路，揭示了底物中的金屬原子是否在C-H鍵形成過(guò)程中起著動(dòng)態(tài)作用，或者它們?cè)陲w秒時(shí)間尺度上對(duì)動(dòng)力學(xué)的影響是否可以忽略不計(jì)。該發(fā)現(xiàn)有望指導(dǎo)定制石墨烯-基底相互作用，從而促進(jìn)石墨烯的化學(xué)，電子，磁性，自旋和光學(xué)性質(zhì)的工程化，以用于廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

【1】Hongyan Jiang, Marvin Kammler, Alec. M.Wodtke, Thomas F. Miller III,?Alexander Kandratsenka, Oliver Bünermann et al. Imagingcovalent bond formation by H atom scattering from graphene. Science 2019, 364, 379-382.

https://science.sciencemag.org/content/364/6438/379

【2】Liv Hornek?r. Stabilizing a C–H bond ongraphene with sound. Science 2019, 364, 331-332.

https://science.sciencemag.org/content/364/6438/331

本文來(lái)自納米人，本文觀點(diǎn)不代表利特納米立場(chǎng)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者。