Structural and electronic properties of grain boundaries in graphite: Planes of periodically distributed point defects

Abstract

We report on scanning tunneling microscopy and spectroscopy of grain boundaries in highly oriented pyrolytic graphite. Grain boundaries showed a periodic structure and an enhanced charge density compared to the bare graphite surface. Two possible periodic structures have been observed along grain boundaries. A geometrical model producing periodically distributed point defects on the basal plane of graphite has been proposed to explain the structure of grain boundaries. Scanning tunneling spectroscopy on grain boundaries revealed two strong localized states at -0.3 V and 0.4 V.

Polycrystalline graphene and other two-dimensional materials

“…Later, the interest in GB defects in graphene was renewed with the advent of scanning tunnelling microscopy (STM) for investigating surfaces [27][28][29][30] . Scanning tunnelling spectroscopy (STS) allowed the local electronic properties of these defects in graphite to be investigated in detail 31 . The scanning probe techniques have also been used recently to explore the possible role of GBs in the intrinsic ferromagnetism of graphite 32 .…”

Charge and Spin Transport in Disordered Graphene-Based Materials

“…The first approach involves local two-point measurements, which are accomplished with STM and scanning tunneling spectroscopy (STS). [16,200,201,202,24,23] With these measurements, it is possible to deduce the local electronic density of states, the local charge density, and the charge scattering mechanisms associated with GGBs, thus permitting the spatially-dependent electrical characterization of GGBs at the atomic scale. The second approach involves four-probe measurements, which can be used to analyze the influence of individual GGBs at a scale of several micrometers.…”

Molecular Dynamics Simulations on Tension of Graphene and Graphite Containing Vacancies

“…． 一方， 材料に欠陥が存在する場合は， 材料の機械的特性や電気的特性が変化する可能性がある． グラフェンに含まれる原子レベルの欠陥については，原子空孔 (7)～ (10) ，Stone-Wales 欠陥 (8), (11) ，結晶粒界 (12)～ (16) ，転 位 (17), (18) などがあり，走査型トンネル顕微鏡，電子顕微鏡あるいは陽電子消滅法を用いてその存在が確認されてい る．これら欠陥が機械的特性や電気的特性に与える影響を実験によって調べる場合，カーボンナノチューブやフ ラーレンに比べると (19), (20) ，グラフェンについては未だ研究が進んでいない． 近年分子動力学（MD）法を用いて，材料の原子レベルの欠陥構造と機械的特性との関係を明らかにしようと する研究が報告されている (21) ～ (33) ． Xiao らは複数個の Stone-Wales 欠陥を含むグラフェンとカーボンナノチュ ーブの引張りの MD 計算を行い，欠陥の個数が機械的特性に与える影響について調べている (21) ．Grantab らはグ * 原稿受付 2011 年 2 月 10 日 *1 正員，愛媛大学大学院理工学研究科(〒790-8577 松山市文京町 3 番) *2 東レ 複合材料研究所(〒791-3193 愛媛県伊予郡松前町筒井 1515) E-mail: okamoto.shingo.mh@ehime-u.ac.jp 原子空孔の大きさや分布様式が機械的物性に与える影響について調べている (23) ．Zhang らはカーボンナノチュー ブの引張りの分子力学（MM）計算を行い (24) ，単原子および 2 原子空孔が引張強度に与える影響について，Mielke らの量子力学（QM）計算の結果 (25) 第二世代 REBO ポテンシャルと Lennard-Jones ポテンシャルを， 原子間距離や結合次数に応じて連続的に切 替えできるように，AIREBO ポテンシャルと同様のスイッチング関数を用いた (35) ．ε の値は 0.00284eV，r 0 の 値は 300K におけるグラファイト層間の面間隔が実験値の 3. …”