[論文レビュー] Stretching graphene using polymeric micro-muscles

Francesco Colangelo, Alessandro Pitanti+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2017

Graphene research and applications参考文献 45被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、電子線照射によって可逆的に収縮するPMMAからなる高分子マイクロマッスル（MAMs）を用いて、グラフェンにおけるひずみを動的に制御する新規な手法を提示する。この手法により、精密でチューナブルかつ空間的にパターン化された非均一なひずみおよび面外変形が可能となり、ラマン分光法、SEM、AFMを用いて実証された。本手法は、2次元材料におけるひずみ工学研究のための柔軟なプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

The control of strain in two-dimensional materials opens exciting perspectives for the engineering of their electronic properties. While this expectation has been validated by artificial-lattice studies, it remains elusive in the case of atomic lattices. Remarkable results were obtained on nanobubbles and nano-wrinkles, or using scanning probes; microscale strain devices were implemented exploiting deformable substrates or external loads. These devices lack, however, the flexibility required to fully control and investigate arbitrary strain profiles. Here, we demonstrate a novel approach making it possible to induce strain in graphene using polymeric micrometric artificial muscles (MAMs) that contract in a controllable and reversible way under an electronic stimulus. Our method exploits the mechanical response of poly-methyl-methacrylate (PMMA) to electron-beam irradiation. Inhomogeneous anisotropic strain and out-of-plane deformation are demonstrated and studied by Raman, scanning-electron and atomic-force microscopy. These can all be easily combined with the present device architecture. The flexibility of the present method opens new opportunities for the investigation of strain and nanomechanics in two-dimensional materials.

研究の動機と目的

• グラフェンのような2次元材料にひずみを誘導するための柔軟で制御可能な手法の開発。
• 空間的および動的制御が不可能な既存のひずみデバイスの限界を克服する。
• 2次元材料におけるひずみ依存の電子的および機械的性質のイン・サイトでの調査を可能にする。
• 電子線誘起収縮を用いたPMMAマイクロ構造がグラフェンを駆動する手段としての可能性を実証する。
• 標準的なナノファブリケーションおよび特性評価技術と併用可能なスケーラブルで統合可能なプラットフォームを提供する。

提案手法

• 局所的電子線照射によって収縮する応答性高分子としてのポリメチルメタクリレート（PMMA）の利用。
• PMMAから作製したマイクロスケールの人工筋（MAMs）を用いて、浮遊したグラフェン膜に制御された機械的応力を印ける。
• MAMsを柔軟で変形可能な基板に統合し、局所的なひずみ誘導を可能にする。
• 電子線照射を用いてPMMAにおける異方的かつ非均一な収縮を誘発し、そのひずみをグラフェンに転送する。
• ラマン分光法、走査型電子顕微鏡（SEM）、原子間力顕微鏡（AFM）を用いて、ひずみ分布および面外変形を特徴付ける。
• 再構成可能で、他のナノメカニカルまたはエレクトロニクス系統と組み合わせ可能なモジュラーデバイスアーキテクチャの設計。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PMMAマイクロ構造における電子線誘起収縮を用いて、浮遊グラフェンに制御可能なひずみを誘導できるか。
• RQ2 この手法で達成可能な非均一的かつ異方的ひずみプロファイルの種類は何か。
• RQ3 局所的照射パターンとグラフェンにおけるひずみ分布および面外変形の相関関係は何か。
• RQ4 この方法によるひずみ誘導は、グラフェン膜の異なる領域においてどの程度可逆的かつチューナブルか。
• RQ5 この手法は、標準的なナノファブリケーションおよびイン・サイト特性評価技術と統合可能で、動的研究に適しているか。

主な発見

• MAMsにより、空間的分解能を有するラマン分光法で測定可能なGバンドシフトが確認されたことから、グラフェンに非均一的かつ異方的ひずみが誘導された。
• 原子間力顕微鏡および走査型電子顕微鏡を用いて、しわやドーム状の面外変形が直接観察された。
• 電子線照射の制御により、ひずみの誘導と解放が可逆的に行われ、機械的応力に対する動的制御が実証された。
• 外部荷重や複雑な基板を必要とせず、正確で局所的なひずみ工学が可能となった。
• 標準的な特性評価ツールと互換性があり、ひずみの進化をリアルタイムでモニタリング可能となった。
• デバイスアーキテクチャは、他のナノスケールシステムとの統合を可能とし、多機能なひずみ工学実験に適している。