[논문 리뷰] Stretching graphene using polymeric micro-muscles

Francesco Colangelo, Alessandro Pitanti외 7명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 27.

Graphene research and applications참고 문헌 45인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 전자빔 조사에 의해 가역적으로 수축하는 폴리메틸메타크릴레이트(PPMA)로 구성된 고분자 마이크로근육(MAMs)을 사용하여 그래핀의 변형을 동적으로 제어하는 새로운 방법을 제시한다. 이 기술은 정밀하고 조절 가능하며 공간적으로 패tern화된 비균일한 변형과 평면 외 변형을 가능하게 하며, 라만, SEM 및 AFM를 통해 실험적으로 입증되었으며, 2차원 물질의 변형 공학 연구를 위한 유연한 플랫폼을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 그래핀과 같은 2차원 물질에 변형을 유도하기 위한 유연하고 제어 가능한 방법을 개발하기 위해.
• 기존의 변형 장치가 임의의 변형 프로파일에 대해 공간적 및 동적 제어 기능을 갖추지 못한 한계를 극복하기 위해.
• 2차원 물질의 변형 의존 전자적 및 기계적 성질을 실시간으로 연구하기 위해.
• 전자빔 유도 수축을 이용해 그래핀을 구동하는 방법의 가능성을 입증하기 위해.
• 기존 나노재료 공정 및 특성 분석 기술과 호환되는 확장 가능하고 통합 가능한 플랫폼을 제공하기 위해.

제안 방법

• 국소적인 전자빔 조사에 의해 수축하는 반응성 고분자로 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 활용하기 위해.
• 투명한 그래핀 막에 제어 가능한 기계적 응력을 가하기 위해 PMMA에서 마이크로스케일 인공근육(MAMs)을 제작하기 위해.
• 유연하고 변형 가능한 기초 기판에 MAMs와 그래핀을 통합하여 局부 변형을 유도하기 위해.
• 전자빔 조사를 통해 PMMA에서 이방성이고 비균일한 수축을 유도함으로써 그래핀에 변형을 전달하기 위해.
• 라만 스펙트로스코피, 주사전자현미경(SEM), 원자력 현미경(AFM)을 활용하여 변형 분포 및 평면 외 변형을 특성 분석하기 위해.
• 다른 나노기계적 또는 전자적 시스템과의 통합 및 재구성 가능성을 고려한 모듈식 장치 아키텍처 설계하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PMMA 마이크로구조에서 전자빔 유도 수축을 이용해 투명한 그래핀에 제어 가능한 변형을 유도할 수 있는가?
• RQ2 이 방법을 통해 어떤 종류의 비균일하고 이방성 변형 프로파일을 달성할 수 있는가?
• RQ3 국소적 조사 패tern과 그래핀의 변형 분포 및 평면 외 변형 간의 상관관계는 어떠한가?
• RQ4 그래핀 막의 다양한 영역에서 변형 유도가 얼마나 가역적이고 조절 가능한가?
• RQ5 이 방법은 표준 나노재료 공정 및 실시간 특성 분석 기술과 통합되어 동적 연구에 활용될 수 있는가?

주요 결과

• MAMs는 공간 해상도가 높은 라만 스펙트로스코피를 통해 측정 가능한 G밴드 이동을 보이며, 그래핀에 비균일하고 이방성 변형을 유도함을 확인하였다.
• 원자력 현미경과 주사전자현미경을 통해 주름 및 봉우리 형태의 평면 외 변형이 직접 관측되었다.
• 전자빔 조사 조절을 통해 변형을 가역적으로 유도하고 해제함으로써 기계적 응력에 대한 동적 제어가 가능함을 입증하였다.
• 외부 하중이나 복잡한 기초 기판 없이도 정밀하고 국소적인 변형 공학이 가능함을 입증하였다.
• 표준 특성 분석 도구와 호환되어 변형의 진화 과정을 실시간으로 모니터링할 수 있음을 확인하였다.
• 장치 아키텍처는 다른 나노스케일 시스템과의 통합을 지원하여 다기능 변형 공학 실험을 가능하게 하였다.