A key factor that determines the mechanical and electrical performance of graphene-based materials and devices is how graphene behaves under extreme conditions, yet the response of few-layer graphene to high shear stress has not been investigated experimentally. Here we applied high pressure and shear to graphene powder using a rotational diamond anvil cell and studied the recovered sample with multiple means of characterization. Sustaining high pressure and shear, graphene breaks into nanometer-long clusters with generation of large number of defects. At a certain stress level, it transforms to amorphous state and carbon onions. The reduction of infrared reflectivity in the severely sheared phase indicates the decrease in conductivity. Our results unveil the shear sensitive nature of graphene, point out the effects of shear on its physical properties, and provide a potential method to manipulate this promising material.

1.
C.
Lee
,
X.
Wei
,
J. W.
Kysar
, and
J.
Hone
,
Science
321
,
385
(
2008
).
2.
P.
Zhang
,
L.
Ma
,
F.
Fan
,
Z.
Zeng
,
C.
Peng
,
P. E.
Loya
,
Z.
Liu
,
Y.
Gong
,
J.
Zhang
,
X.
Zhang
,
P. M.
Ajayan
,
T.
Zhu
, and
J.
Lou
,
Nat. Commun.
5
,
3782
(
2014
).
3.
F.
Liu
,
P.
Ming
, and
J.
Li
,
Phys. Rev. B
76
,
064120
(
2007
).
4.
K.
Min
and
N. R.
Aluru
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
013113
(
2011
).
5.
S.
Chatterjee
,
J. W.
Wang
,
W. S.
Kuo
,
N. H.
Tai
,
C.
Salzmann
,
W. L.
Li
,
R.
Hollertz
,
F. A.
Nüesch
, and
B. T. T.
Chu
,
Chem. Phys. Lett.
531
,
6
(
2012
).
6.
H.
Porwal
,
P.
Tatarko
,
S.
Grasso
,
J.
Khaliq
,
I.
Dlouhý
, and
M. J.
Reece
,
Carbon
64
,
359
(
2013
).
7.
M.
Terrones
,
A. R.
Botello-Méndez
,
J.
Campos-Delgado
,
F.
López-Urías
,
Y. I.
Vega-Cantú
,
F. J.
Rodríguez-Macías
,
A. L.
Elías
,
E.
Muñoz-Sandoval
,
A. G.
Cano-Márquez
,
J.-C.
Charlier
, and
H.
Terrones
,
Nano Today
5
,
351
(
2010
).
8.
A. P. M.
Barboza
,
M. H. D.
Guimaraes
,
D. V. P.
Massote
,
L. C.
Campos
,
N. M.
Barbosa Neto
,
L. G.
Cancado
,
R. G.
Lacerda
,
H.
Chacham
,
M. S. C.
Mazzoni
, and
B. R. A.
Neves
,
Adv. Mater.
23
,
3014
(
2011
).
9.
L. G. P.
Martins
,
M. J. S.
Matos
,
A. R.
Paschoal
,
P. T. C.
Freire
,
N. F.
Andrade
,
A. L.
Aguiar
,
J.
Kong
,
B. R. A.
Neves
,
A. B.
de Oliveira
,
M. S. C.
Mazzoni
,
A. G.
Souza Filho
, and
L. G.
Cançado
,
Nat. Commun.
8
,
96
(
2017
).
10.
Y.
Gao
,
T.
Cao
,
F.
Cellini
,
C.
Berger
,
W. A.
de Heer
,
E.
Tosatti
,
E.
Riedo
, and
A.
Bongiorno
,
Nat. Nanotechnol.
13
,
133
(
2018
).
11.
F.
Ke
,
Y.
Chen
,
K.
Yin
,
J.
Yan
,
H.
Zhang
,
Z.
Liu
,
J. S.
Tse
,
J.
Wu
,
H.-K.
Mao
, and
B.
Chen
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
116
,
9186
(
2019
).
12.
S.
Wong
,
T. B.
Shiell
,
B. A.
Cook
,
J. E.
Bradby
,
D. R.
McKenzie
, and
D. G.
McCulloch
,
Carbon
142
,
475
(
2019
).
13.
Y.
Gao
,
Y.
Ma
,
Q.
An
,
V.
Levitas
,
Y.
Zhang
,
B.
Feng
,
J.
Chaudhuri
, and
W. A.
Goddard
 III
,
Carbon
146
,
364
(
2019
).
14.
J.
Dong
,
Z.
Yao
,
M.
Yao
,
R.
Li
,
K.
Hu
,
L.
Zhu
,
Y.
Wang
,
H.
Sun
,
B.
Sundqvist
,
K.
Yang
, and
B.
Liu
,
Phys. Rev. Lett.
124
,
065701
(
2020
).
15.
S.
Paul
,
K.
Momeni
, and
V. I.
Levitas
,
Carbon
167
,
140
(
2020
).
16.
N. V.
Novikov
,
S. B.
Polotnyak
,
L. K.
Shvedov
, and
V. I.
Levitas
,
J. Superhard Mater.
21
(3),
36
48
(
1999
).
17.
N. B.
Novikov
,
L. K.
Shvedov
,
Y. N.
Krivosheya
, and
V. I.
Levitas
,
J. Superhard Mater.
37
(
1
),
1
(
2015
).
18.
Y.
Akahama
and
H.
Kawamura
,
J. Appl. Phys.
100
,
043516
(
2006
).
19.
V. I.
Levitas
,
Y.
Ma
,
J.
Hashemi
,
M.
Holtz
, and
N.
Guven
,
J. Chem. Phys.
125
,
044507
(
2006
).
20.
V. I.
Levitas
and
O. M.
Zarechnyy
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
141919
(
2007
).
21.
B.
Feng
,
V. I.
Levitas
, and
W.
Li
,
Int. J. Plast.
113
,
236
(
2019
).
22.
P.
Botella
,
X.
Devaux
,
M.
Dossot
,
V.
Garashchenko
,
J. C.
Beltzung
,
A. V.
Soldatov
, and
S.
Ananev
,
Phys. Status Solidi B
254
,
1700315
(
2017
).
23.
A. C.
Ferrari
and
J.
Robertson
,
Phys. Rev. B
61
,
14095
(
2000
).
24.
A. C.
Ferrari
and
J.
Robertson
,
Phys. Rev. B
64
,
075414
(
2001
).
25.
Z.
Tao
,
J.
Du
,
Z.
Qi
,
K.
Ni
,
S.
Jiang
, and
Y.
Zhu
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
133101
(
2020
).
26.
F.
Ke
,
L.
Zhang
,
Y.
Chen
,
K.
Yin
,
C.
Wang
,
Y.-K.
Tzeng
,
Y.
Lin
,
H.
Dong
,
Z.
Liu
,
J. S.
Tse
,
W. L.
Mao
,
J.
Wu
, and
B.
Chen
,
Nano Lett.
20
,
5916
(
2020
).
27.
W. L.
Mao
,
H.-K.
Mao
,
P. J.
Eng
,
T. P.
Trainor
,
M.
Newville
,
C.-C.
Kao
,
D. L.
Heinz
,
J.
Shu
,
Y.
Meng
, and
R. J.
Hemley
,
Science
302
,
425
(
2003
).
28.
Z.
Wang
,
Y.
Zhao
,
K.
Tait
,
X.
Liao
,
D.
Schiferl
,
C.
Zha
,
R. T.
Downs
,
J.
Qian
,
Y.
Zhu
, and
T.
Shen
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
101
,
13699
(
2004
).
29.
R.
Nomura
,
S.
Azuma
,
K.
Uesugi
,
Y.
Nakashima
,
T.
Irifune
,
T.
Shinmei
,
S.
Kakizawa
,
Y.
Kojima
, and
H.
Kadobayashi
,
Rev. Sci. Instrum.
88
,
044501
(
2017
).
30.
S.
Azuma
,
R.
Nomura
,
K.
Uesugi
,
Y.
Nakashima
,
Y.
Kojima
,
S.
Doi
, and
S.
Kakizawa
,
High Pressure Res.
38
,
23
(
2018
).
31.
V. I.
Levitas
,
Mater. Trans.
60
,
1294
(
2019
).
32.
S.
Hsieh
,
P.
Bhattacharyya
,
C.
Zu
,
T.
Mittiga
,
T. J.
Smart
,
F.
Machado
,
B.
Kobrin
,
T. O.
Höhn
,
N. Z.
Rui
,
M.
Kamrani
,
S.
Chatterjee
,
S.
Choi
,
M.
Zaletel
,
V. V.
Struzhkin
,
J. E.
Moore
,
V. I.
Levitas
,
R.
Jeanloz
, and
N. Y.
Yao
,
Science
366
,
1349
(
2019
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.