Familie af blomsterlignende defekter kan hjælpe grafenstrukturer med at reagere på stress uden at rive

Ud over dens evne til at lede elektroner næsten uden modstand, nanomaterialet grafen har også fantastiske mekaniske egenskaber, inklusive høj styrke, der en dag kan gøre den nyttig i letvægts, robuste strukturer. Men dette materiale er ikke uden fejl - inklusive en familie af blomsterlignende defekter, der kan forringe dets elektroniske og mekaniske egenskaber.

I et papir offentliggjort i tidsskriftet Physical Review B, forskere ved Georgia Institute of Technology og National Institute of Standards and Technology (NIST) har beskrevet en familie af syv potentielle defektstrukturer, der kan forekomme i ark af grafen og afbildede eksempler på den laveste energidefekt i familien.

Defekterne kan opstå for at hjælpe med at lindre mekanisk stress i graphens carbon-atom honeycomb struktur ved at tillade atomer at sprede sig og optage lidt mere plads. Sådan stress kan opstå under væksten af ​​grafen eller ved at strække grafenarket.

"For en ingeniør, der er interesseret i grafens mekaniske egenskaber til at skabe atomtykke membraner, for eksempel, det ville være meget vigtigt at forstå denne slags egenskaber, som kan give anledning til plastisk deformation af materialet, " sagde Phillip First, en af ​​papirets medforfattere og en professor ved Georgia Tech School of Physics. "F.eks. det kan være, at disse defekter blot er en del af den kinetiske vej til fejl for et anstrengt ark grafen."

For elektroniske ansøgninger, defekterne kunne afbøje elektroner og forårsage tilbagespredning, der ville øge materialets modstand – ligesom en sten i en strøm bremser vandstrømmen. Imidlertid, Først siger, at forbedrede vækstteknikker, der er udviklet siden defektundersøgelsen begyndte, kan fjerne denne bekymring.

"Med de vækstteknikker, der nu er blevet udviklet ved hjælp af siliciumcarbid, vi ser typisk ikke disse defekter, ” bemærkede han. "Defekterne opstår på materiale, som vi ved er af en lavere kvalitet på grund af vækstbetingelserne eller substratforberedelsen."

Defekter kan forekomme på grund af bevægelse af kulstofatomer ved høje temperaturer, forklarede NIST-stipendiat Joseph Stroscio. Omarrangeringer af grafen, der kræver den mindste mængde energi, involverer at skifte fra de standard seks-leddede carbonringe til strukturer, der indeholder enten fem eller syv atomer. NIST-forskerne har opdaget, at binding af fem- og syvledsringe sammen i lukkede løkker skaber en ny type defekt eller korngrænseløkke i honeycomb-gitteret.

Ifølge NIST-forsker Eric Cockayne, fabrikationsprocessen spiller en stor rolle i at skabe defekterne.

"Når grafen dannes under høj varme, dele af gitteret kan løsne sig og rotere, " sagde han. "Når grafenen afkøles, disse roterede sektioner forbindes tilbage med gitteret, men på en uregelmæssig måde. Det er næsten som om pletter af grafen blev skåret ud med en saks, drejet med uret, og lavet til at passe tilbage på samme sted. Bare det passer virkelig ikke, det er derfor, vi får disse blomster."

Indtil nu, kun blomsterdefekten, som er sammensat af seks par fem- og syvatoms ringe, er blevet observeret. Modellering af grafens atomstruktur af NIST-teamet antyder, at der kan være en sand buket af blomsterlignende konfigurationer. Disse konfigurationer – syv i alt – ville hver have sine egne unikke mekaniske og elektriske egenskaber, sagde Cockayne.

Håber først, at holdet kan fortsætte med at studere defekterne, både for at lære om deres dannelse kan kontrolleres og for at afklare defekters rolle i materialets mekaniske egenskaber.

"Grafen er stærkt og let, så de mekaniske egenskaber er af stor interesse, ” bemærkede han. "At forstå, hvordan det går i stykker, er et interessant spørgsmål, der har vigtige konsekvenser. Men selv med disse defekter, grafen er stadig spektakulært stærkt."