Een groep wetenschappers van de Universiteit van Osaka, in samenwerking met Kaneka Corporation, evalueerde de interplanaire bindingssterkte van grafeen door de elastische constante van grafiet te meten, wat aantoont dat de elastische constante van monokristallijn grafiet (Figuur 1, boven) was boven de 45 gigapascal (GPa), die hoger was dan conventioneel werd aangenomen. Hun onderzoeksresultaten werden gepubliceerd in Physical Review Materials.

Grafiet bestaat uit lagen grafeen en de lagen zijn verbonden via zwakke van der Waals (vdW) krachten, een alomtegenwoordige aantrekkingskracht tussen alle moleculen. Er werd aangenomen dat de elastische constante van grafietkristal niet hoger was dan 40 GPa.

Dit komt omdat de elastische constanten verkregen uit experimenten met kunstmatig sterk georiënteerd pyrolytisch grafiet (HOPG) laag waren vanwege structurele defecten in het grafiet (zoals geïllustreerd in figuur 1, bodem) en theoretische berekeningen toonden ook aan dat de elastische constante van grafiet minder dan 39 GPa was.

Aangezien een direct kenmerk van een interplanaire interactie de elastische constante langs de c-as van grafiet is, die de hechtsterkte van de tussenlaag weerspiegelt, de elastische constante van grafiet is gebruikt om voorgestelde theoretische benaderingen te valideren, en de nauwkeurige meting ervan is van cruciaal belang om vdW-interacties grondig te begrijpen.

In dit onderzoek, Kaneka Corporation creëerde een defectvrij monokristallijn grafiet van hoge kwaliteit door dunne polyimidefilms met hoge oriëntatie bij hoge temperaturen te verhitten; echter, het was erg moeilijk om de elastische constante van dit kristal te meten (10 m in diameter, 1 m in dikte) langs de dikterichting.

Dus, om experimenteel de elastische constante van grafiet te verkrijgen, met behulp van picoseconde laser ultrageluid spectroscopie, deze groep paste een laser met een diameter van 1 m toe op het oppervlak van een meerlagig grafeen gedurende een 10 biljoenste van een seconde om ultrahoogfrequent ultrageluid te genereren. Door nauwkeurig de longitudinale golfgeluidssnelheid langs de dikterichting te meten, ze verkregen de elastische constante.

Hoewel men dacht dat de interplanaire bindingssterkte van grafiet erg zwak was, de resultaten van deze studie toonden aan dat het een sterke hechtsterkte had:de elastische constante was bijna 50 GPa, die niet door conventionele theorieën kunnen worden verklaard.

In dit onderzoek, het korteafstandscorrelatie-effect versterkte selectief het potentiële energieoppervlak (PES). Deze anharmonische PES verbeterde de elastische constante van grafiet. Met behulp van de ACFDT-RPA+U-methode, ze toonden aan dat de elastische constante 50 GPa bereikte vanwege het correlatie-effect op korte termijn.

Hoofdauteur KUSAKABE Koichi zegt:"Onze onderzoeksgroep laat zien dat grafiet zijn superioriteit vertoont in een zeer kristallijne staat. We hebben hoogwaardige, grafiet met hoge kristalliniteit, die een sterkere interplanaire bindingssterkte heeft dan eerder werd aangenomen. Het toepassen van ultrasone meettechnieken op deze defectvrije monokristallijne grafiet-dunne film zal leiden tot de productie van zeer gevoelige sensoren voor het identificeren van biologische materie zoals eiwitten in niet-destructieve tests."