Graphene flakes obtained by local electro-exfoliation of graphite with a STM tip

Abstract

Graphite surfaces can be manipulated by several methods to create graphene structures of different shapes and sizes. Scanning tunneling microscopy (STM) can be used to create these structures either through mechanical contact between the tip and the surface or through electro-exfoliation. In the latter, the mechanisms involved in the process of exfoliation at an applied voltage are not fully understood. Here, we show how a graphite surface can be locally exfoliated in a systematic manner by applying an electrostatic force with a STM tip at the edge of a terrace, forming triangular flakes several nanometers in length. We demonstrate, through experiments and simulations, how these flakes are created by a two-step process: first a voltage ramp must be applied at the edge of the terrace, and then the tip must be scanned perpendicular to the edge. Ab initio electrostatic calculations reveal that the presence of charges on the graphite surface weakens the interaction between layers allowing for exfoliation at voltages in the same range as those used experimentally. Molecular dynamics simulations show that a force applied locally on the edge of a step produces triangular flakes such as those observed under STM. Our results provide new insights into surface modification that can be extended to other layered materials.

Las superficies de grafito se pueden manipular mediante varios métodos para crear estructuras de grafeno de diferentes formas y tamaños. La microscopía de túnel de barrido (STM) se puede utilizar para crear estas estructuras ya sea a través del contacto mecánico entre la punta y la superficie o mediante electroexfoliación. En este último, los mecanismos involucrados en el proceso de exfoliación a un voltaje aplicado no se comprenden completamente. Aquí, mostramos cómo una superficie de grafito puede exfoliarse localmente de manera sistemática aplicando una fuerza electrostática con una punta STM en el borde de una terraza, formando escamas triangulares de varios nanómetros de longitud. Demostramos, a través de experimentos y simulaciones, cómo se crean estos copos mediante un proceso de dos pasos: primero se debe aplicar una rampa de voltaje en el borde de la terraza, y luego se debe escanear la punta perpendicular al borde. Los cálculos electrostáticos Ab initio revelan que la presencia de cargas en la superficie de grafito debilita la interacción entre capas, lo que permite la exfoliación a voltajes en el mismo rango que los utilizados experimentalmente. Las simulaciones de dinámica molecular muestran que una fuerza aplicada localmente en el borde de un escalón produce escamas triangulares como las observadas en STM. Nuestros resultados proporcionan nuevos conocimientos sobre la modificación de la superficie que pueden extenderse a otros materiales en capas.