Lyser på grafen-metal-interaktioner

(PhysOrg.com) -- Ved at kontrollere den lagdelte vækst af grafen - en relativt "ny" form for kulstof, der kun er et enkelt atom tyk - har forskere ved Brookhaven National Laboratory afsløret spændende detaljer om materialets overlegne elektriske og optiske egenskaber. Deres resultater kan hjælpe med at positionere grafen som næste generations materiale til fremtidige computere, digitale displays, og elektroniske sensorer.

"Graphene er et materiale, der virkelig har potentialet til at erstatte silicium i elektronikindustrien, sagde Peter Sutter, en materialeforsker i Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials. "Den er tynd, gennemsigtig, stærk, og meget ledende - alle ekstremt tiltalende egenskaber for alt fra computerchips til touchskærme og solceller."

En af de største udfordringer forskerne står over for er at finde ud af, hvordan man producerer grafen i store mængder. Den enkleste metode er at skrælle enkelte ark grafen af ​​grafit, et materiale bestående af mange grafenlag, med stykker tape. Men denne metode giver kun små, takkede flager, der ikke er nyttige til de fleste applikationer.

På Brookhaven, Sutters gruppe dyrker grafen på et metalsubstrat, en teknik, der kan producere enkeltlagsark over meget store områder, tusindvis af gange større end stykkerne lavet med "Scotch tape"-metoden. Først, en enkelt krystal af ruthenium varmes op til temperaturer højere end 1000 grader Celsius, mens den udsættes for en kulstofrig gas. Ved høje temperaturer, kulstofatomer er i stand til at presse sig ind i rum inden i metalkrystal, ligner vand, der optages af en svamp. Mens krystallen langsomt afkøles, disse carbonatomer udstødes til overfladen af ​​metallet, hvor de danner individuelle lag af grafen. Antallet af dannede lag kan styres af mængden af ​​kulstofatomer, der oprindeligt absorberes i rutheniumkrystallen.

"Et af de unikke aspekter ved denne metode er, at vi kan kontrollere tykkelsen af ​​materialet, vokser grafen lag for lag, "Sutter sagde. "Dette har givet os mulighed for at se, hvordan materialets struktur og elektroniske egenskaber ændrer sig, når enkelte atomare kulstoflag føjes til substratet et ad gangen."

Fordi forskergruppen ønskede at bestemme, hvordan metalsubstratet påvirker grafens egenskaber, det var vigtigt at overvåge det lagdelte materiales egenskaber, efterhånden som det blev dyrket - en egenskab, der blev leveret af et specielt mikroskop ved NSLS beamline U5.

"Først, vi kunne se, hvordan materialet voksede, og så, uden at flytte det fra systemet, vi var i stand til at tænde for fotonstrålen og bestemme dens elektroniske struktur, " sagde Stutter. "Det er ekstremt værdifuldt at gøre alting i det samme miljø."

For at opnå målinger for materialet med forskellige antal grafenark, gruppen brugte mikrovinkelopløst fotoelektronspektroskopi, en teknik, der giver forskere mulighed for at studere den elektroniske struktur i meget små områder af interesse.

Deres resultater, udgivet den 8. juli 2009 udgave af Nano bogstaver , var overraskende.

"Vi fandt ud af, at hvis en enkelt grafenplade dyrkes på et metal som ruthenium, metallet binder sig meget stærkt til kulstofatomerne og forstyrrer de karakteristiske egenskaber, der normalt findes i isoleret grafen, " sagde Sutter. "Men de egenskaber dukker op igen i efterfølgende lag, der dyrkes på substratet."

Med andre ord, det første grafenlag dyrket på ruthenium mætter metalsubstratet, lader resten af ​​lagene genvinde deres normale egenskaber.

"Som et resultat af denne vækstproces, en to-lags stak fungerer som et isoleret monolag af grafen og en tre-lags stak fungerer som et isoleret dobbeltlag, " sagde Sutter.

Gruppens resultater, som også inkluderer Brookhaven-forskerne Mark Hybertsen, Jurek Sadowski, og Eli Sutter, lægger grunden til fremtidig grafenproduktion til avancerede teknologier, og hjælper forskere med at forstå, hvordan metaller - for eksempel i enhedskontakter - ændrer grafens egenskaber.