大阪大学 图1
样品G2800(顶部)和高度定向热解石墨(HOPG)样品(底部)的横截面扫描电子显微图像
(卡尼卡公司，《物理评论材料》(2020)) 大阪大学的一组科学家与Kaneka公司合作，通过测量石墨的弹性常数来评估石墨烯的层间结合强度，证明单晶石墨的弹性常数(图1，顶部)高于45吉帕斯卡(GPa)，这比通常认为的要高
他们的研究成果发表在《物理评论材料》上
石墨由石墨烯层组成，这些层通过弱范德华力(vdW力)结合在一起，这是所有分子之间普遍存在的吸引力
据信石墨晶体的弹性常数不超过40 GPa
这是因为通过使用人造高取向热解石墨(HOPG)的实验获得的弹性常数较低，这是由于石墨中的结构缺陷(如图1底部所示)，并且理论计算也表明石墨的弹性常数小于39 GPa
由于晶面间相互作用的一个直接特征是沿石墨c轴的弹性常数，它反映了层间结合强度，石墨的弹性常数已被用于验证所提出的理论方法，其精确测量对于彻底理解vdW相互作用至关重要
在这项研究中，卡尼卡公司通过在高温下加热高取向聚酰亚胺薄膜，创造了高质量无缺陷单晶石墨；然而，很难沿厚度方向测量该晶体的弹性常数(直径10微米，厚度1μm)
因此，为了实验性地获得石墨的弹性常数，使用皮秒激光超声光谱学，该组将直径为1μm的激光施加到多层石墨烯的表面，持续10万亿分之一秒，以产生超高频超声波
通过精确测量沿厚度方向的纵波声速，他们得到了弹性常数
虽然人们认为石墨的层间结合强度很弱，但这项研究的结果表明它具有很强的结合强度:弹性常数接近50 GPa，这不能用常规理论来解释
在本研究中，短程关联效应选择性地增强了势能面
这种非简谐振动增强了石墨的弹性常数
使用ACFDT-RPA+U方法，他们证明由于短程相关效应，弹性常数达到50 GPa
第一作者KUSAKABE Koichi说，“我们的研究小组表明，石墨在高度结晶状态下显示出它的优越性
我们已经创造了高质量、高结晶度的石墨，它具有比以前认为的更强的层间结合强度
将超声波测量技术应用于这种无缺陷的单晶石墨薄膜将导致产生用于在无损检测中识别生物物质(例如蛋白质)的高灵敏度传感器
"
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