Forskere billedet grafen elektron skyer, afslører, hvordan folder kan skade ledningsevne

Et forskerhold ledet af University of Buffalo kemikere har brugt synkrotron lyskilder til at observere elektronskyer på overfladen af ​​grafen, producerer en række billeder, der afslører, hvordan folder og krusninger i det bemærkelsesværdige materiale kan skade dets ledningsevne.

Forskningen, planlagt til at blive vist 28. juni i Nature Communications, blev udført af UB, National Institute of Standards and Technology (NIST), Molecular Foundry ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), og SEMATECH, et globalt konsortium af halvlederproducenter.

Graphene, det tyndeste og stærkeste materiale, man kender, består af et enkelt lag af carbonatomer forbundet i et bikagelignende arrangement.

Graphens specielle struktur gør det utroligt ledende:Under ideelle omstændigheder, når grafen er helt fladt, elektriske ladninger suser igennem det uden at støde på mange forhindringer, sagde Sarbajit Banerjee, en af ​​de UB-forskere, der ledede undersøgelsen i Naturkommunikation .

Men forholdene er ikke altid optimale.

De nye billeder, som Banerjee og hans kolleger fangede, viser, at når grafen foldes eller bøjes, elektronskyen, der beklæder dens overflade, bliver også skæv, gør det vanskeligere for en elektrisk ladning at rejse igennem.

"Når grafen er fladt, tingene bare en slags kyst langs skyen. De behøver ikke hoppe over noget. Det er som en motorvej, " sagde Banerjee, en adjunkt i kemi. "Men hvis du bøjer det, nu er der nogle forhindringer; forestil dig forskellen mellem en ny asfalteret motorvej og en med anlægsarbejde på langs, hvilket tvinger vognbaneskift.

"Da vi afbildede elektronskyen, du kan forestille dig denne store fluffy pude, og vi så, at puden er bøjet her og der, "sagde Banerjee, hvis National Science Foundation CAREER -pris gav den primære finansiering til projektet.

For at skabe billederne og forstå de faktorer, der forstyrrer elektronskyen, Banerjee og hans partnere anvendte to teknikker, der krævede brug af en synkrotron:scanningstransmission røntgenmikroskopi og nærkant røntgenabsorbering fin struktur (NEXAFS), en type absorptionsspektroskopi. Eksperimenterne blev yderligere understøttet af computersimuleringer udført på computerklynger på Berkeley Lab.

"Ved brug af simuleringer, vi kan bedre forstå de målinger, vores kolleger har foretaget ved hjælp af røntgenstråler, og bedre forudsige, hvordan subtile ændringer i grafens struktur påvirker dets elektroniske egenskaber, " sagde David Prendergast, en personaleforsker i Theory of Nanostructures Facility på Molecular Foundry på Berkeley Lab. "Vi så, at områder af grafen var skrånende i forskellige vinkler, som at se ned på de skrå tage på mange huse pakket tæt sammen."

Udover at dokumentere, hvordan folder i grafen forvrænger sin elektronsky, forskerholdet opdagede, at forurenende stoffer, der klæber til grafen under forarbejdning, bliver hængende i dale, hvor materialet er ujævnt. Sådanne forurenende stoffer forvrider elektronskyen entydigt, ændre styrken, hvormed skyen er bundet til de underliggende atomer.

Graphens usædvanlige egenskaber har skabt begejstring i industrier, herunder computere, energi og forsvar. Forskere siger, at grafens elektriske ledningsevne matcher kobber, og at grafens varmeledningsevne er den bedste af ethvert kendt materiale.

Men det nye, UB-ledet undersøgelse tyder på, at virksomheder, der håber at inkorporere grafen i produkter såsom ledende blæk, ultrahurtige transistorer og solpaneler kunne drage fordel af mere grundforskning i nanomaterialet. Forbedrede processer til at overføre flade plader af grafen til kommercielle produkter kunne i høj grad øge disse produkters effektivitet.

"Mange mennesker ved, hvordan man dyrker grafen, men det er ikke godt forstået, hvordan man overfører det til noget, uden at det foldes ind på sig selv, "Sagde Banerjee." Det er meget svært at holde lige og flad, og vores arbejde bringer virkelig pointen med hjem, hvorfor det er så vigtigt. "

"Graphene bliver meget vigtigt inden for elektronik, "sagde ph.d. -kandidaten Brian Schultz, en af ​​tre UB kandidatstuderende, der var hovedforfattere på Naturkommunikation papir. "Det bliver et af de mest ledende materialer, der nogensinde er fundet, og den har mulighed for at blive brugt som en ultrahøjfrekvent transistor eller som en mulig erstatning for siliciumchips, rygraden i den nuværende kommercielle elektronik.

"Da grafen blev opdaget, folk var bare så begejstrede over, at det var så godt et materiale, at folk virkelig ville tage med og løbe så hurtigt som muligt, "Schultz fortsatte." Men det vi viser er, at du virkelig skal foretage nogle grundlæggende undersøgelser, før du forstår, hvordan du behandler det, og hvordan du får det ind i elektronik. "