Grafenkorn laver atomtykke patchwork-dyner

(PhysOrg.com) -- Et hurtigt kig på nye Cornell-forskningstips om farverige patchwork quilts, men de er faktisk billeder af grafen -- et atom-tykke plader af kulstof syet sammen ved skrå grænseflader. Forskere har afsløret slående, atomopløsningsdetaljer om, hvordan grafen-"quilts" ser ud ved grænserne mellem patches, og har afdækket nøgleindsigt i grafens elektriske og mekaniske egenskaber.

Det tværfaglige Cornell-samarbejde, publicering online 5. januar i tidsskriftet Natur , fokuserer på grafen - et et atom-tykt ark af kulstofatomer bundet i et krystalgitter som en honeycomb eller kyllingetråd - på grund af dets elektriske egenskaber og potentiale til at forbedre alt fra solceller til mobiltelefonskærme. Men den vokser ikke i perfekte ark; hellere, det udvikler sig i stykker, der ligner patchwork quilts, hvor honeycomb-gitteret mødes ufuldkomment og danner fem- eller syvleddede kulstofringe, snarere end den perfekte seks. Hvor disse "plastre" mødes kaldes korngrænser, og videnskabsmænd havde spekuleret på, om disse grænser ville tillade de særlige egenskaber af en perfekt grafen krystal at overføre til de meget større quilt-lignende strukturer.

For at studere materialet, forskerne dyrkede grafenmembraner på et kobbersubstrat (en metode udtænkt af en anden gruppe), men udtænkte derefter en ny måde at pille dem af som fritstående, atomtykke film. Derefter, med diffraktionsbilleddannende elektronmikroskopi, de afbildede grafen ved at se, hvordan elektroner hoppede af i bestemte vinkler, og bruge en farve til at repræsentere denne vinkel. Ved at overlejre forskellige farver alt efter hvordan elektronerne hoppede, de skabte en nem, effektiv metode til at afbilde grafenkorngrænserne i henhold til deres orientering. Og som en bonus, deres billeder tog en kunstnerisk drejning, minder forskerne om patchwork-tæpper.

"Du ønsker ikke at se på hele dynen ved at tælle hver tråd, sagde David Muller, professor i anvendt og teknisk fysik og meddirektør for Kavli Institute ved Cornell for Nanoscale Science, der ledede arbejdet med Paul McEuen, professor i fysik og direktør for Kavli Instituttet; og Kavli-medlem Jiwoong Park, adjunkt i kemi og kemisk biologi. "Du vil gerne stå tilbage og se, hvordan det ser ud på sengen. Så vi udviklede en metode, der filtrerer krystalinformationen fra på en måde, så du ikke behøver at tælle hvert atom."

Denne nye metode kunne gælde for andre todimensionelle materialer og kaster nyt lys over den tidligere mystiske måde, hvorpå grafen blev syet sammen ved korngrænser.

Yderligere analyse afslørede, at dyrkning af større korn (større pletter) ikke forbedrede den elektriske ledningsevne af grafen, som tidligere tænkt af materialeforskere. Hellere, det er urenheder, der sniger sig ind i pladerne, der får de elektriske egenskaber til at svinge. Denne indsigt vil føre videnskabsmænd tættere på de bedste måder at dyrke og bruge grafen på.