Tilgængeligheden af ​​brint styrer den kemiske struktur af grafenoxid

En ny undersøgelse viser, at tilgængeligheden af ​​brint spiller en væsentlig rolle i at bestemme den kemiske og strukturelle sammensætning af grafenoxid, et materiale, der har potentielle anvendelser i nanoelektronik, nano-elektromekaniske systemer, sansning, kompositter, optik, katalyse og energilagring.

Undersøgelsen fandt også, at efter at materialet er produceret, dets strukturelle og kemiske egenskaber fortsætter med at udvikle sig i mere end en måned som følge af fortsatte kemiske reaktioner med brint.

At forstå egenskaberne af grafenoxid - og hvordan man kontrollerer dem - er vigtigt for at realisere potentielle anvendelser for materialet. For at gøre det nyttigt til nanoelektronik, for eksempel, forskere skal fremkalde både et elektronisk båndgab og strukturel orden i materialet. Kontrol af mængden af ​​brint i grafenoxid kan være nøglen til at manipulere materialeegenskaberne.

"Graphenoxid er et meget interessant materiale, fordi det er mekanisk, optiske og elektroniske egenskaber kan kontrolleres ved hjælp af termiske eller kemiske behandlinger for at ændre dens struktur, " sagde Elisa Riedo, en lektor ved School of Physics ved Georgia Institute of Technology. "Men før vi kan få de ejendomme, vi ønsker, vi skal forstå de faktorer, der styrer materialets struktur. Denne undersøgelse giver information om brints rolle i reduktionen af ​​grafenoxid ved stuetemperatur."

Forskningen, som studerede grafenoxid fremstillet af epitaksial grafen, blev rapporteret den 6. maj i bladet Naturmaterialer . Forskningen blev sponsoreret af National Science Foundation, Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) ved Georgia Tech, og af det amerikanske energiministerium.

Grafenoxid dannes ved brug af kemiske og termiske processer, der hovedsageligt tilføjer to oxygenholdige funktionelle grupper til gitteret af carbonatomer, der udgør grafen:epoxid og hydroxyl-arter. Georgia Tech-forskerne begyndte deres studier med flerlags expitaxial grafen dyrket på toppen af ​​en siliciumcarbidwafer, en teknik udviklet af Walt de Heer og hans forskningsgruppe ved Georgia Tech. Deres prøver inkluderede i gennemsnit ti lag grafen.

Efter at have oxideret de tynde film af grafen ved hjælp af den etablerede Hummers-metode, forskerne undersøgte deres prøver ved hjælp af røntgenfoto-emissionsspektroskopi (XPS). Over omkring 35 dage, de bemærkede, at antallet af epoxidfunktionelle grupper faldt, mens antallet af hydroxylgrupper steg lidt. Efter cirka tre måneder, forholdet mellem de to grupper nåede endelig ligevægt.

"Vi fandt ud af, at materialet ændrede sig af sig selv ved stuetemperatur uden nogen ekstern stimulation, " sagde Suenne Kim, en postdoc i Riedos laboratorium. "Den grad, hvori den var ustabil ved stuetemperatur, var overraskende."

Er du nysgerrig efter, hvad der kan forårsage ændringerne, Riedo og Kim tog deres mål til Angelo Bongiorno, en assisterende professor, der studerer computermaterialekemi på Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry. Bongiorno og kandidatstuderende Si Zhou studerede ændringerne ved hjælp af tæthedsfunktionel teori, hvilket antydede, at brint kunne kombineres med oxygen i de funktionelle grupper for at danne vand. Det ville begunstige en reduktion af epoxidgrupperne, hvilket er, hvad Riedo og Kim så eksperimentelt.

"Elisas gruppe lavede eksperimentelle målinger, mens vi lavede teoretiske beregninger, " sagde Bongiorno. "Vi kombinerede vores oplysninger for at komme op med ideen om, at der måske var brint involveret."

Mistankerne blev bekræftet eksperimentelt, både af Georgia Tech-gruppen og af et forskerhold ved University of Texas i Dallas. Denne information om brints rolle i at bestemme strukturen af ​​grafenoxid foreslår en ny måde at kontrollere dets egenskaber på, Bongiorno bemærkede.

"Under syntese af materialet, vi kunne potentielt bruge dette som et værktøj til at ændre strukturen, " sagde han. "Ved at forstå, hvordan man bruger brint, vi kunne tilføje det eller tage det ud, giver os mulighed for at justere den relative fordeling og koncentration af epoxid- og hydroxyl-arterne, som styrer materialets egenskaber."

Riedo og Bongiorno anerkender, at deres materiale - baseret på epitaksial grafen - kan være forskelligt fra oxidet fremstillet af eksfolieret grafen. Fremstilling af grafenoxid fra flager af materialet involverer yderligere forarbejdning, herunder opløsning i en vandig opløsning og derefter filtrering og afsætning af materialet på et substrat. Men de mener, at brint spiller en lignende rolle i at bestemme egenskaberne af eksfolieret grafenoxid.

"Vi har sandsynligvis en ny form for grafenoxid, en, der kan være mere nyttig kommercielt, selvom de samme processer også burde finde sted inden for den anden form for grafenoxid, " sagde Bongiorno.

De næste trin er at forstå, hvordan man kontrollerer mængden af ​​brint i epitaksialt grafenoxid, og hvilke forhold der kan være nødvendige for at påvirke reaktioner med de to funktionelle grupper. Ultimativt, som kan give en måde at åbne et elektronisk båndgab og samtidig opnå et grafenbaseret materiale med elektrontransportegenskaber, der kan sammenlignes med uberørt grafen.

"Ved at kontrollere egenskaberne af grafenoxid gennem denne kemiske og termiske reduktion, vi kan nå frem til et materiale, der forbliver tæt nok på grafen i strukturen til at opretholde den nødvendige rækkefølge for de fremragende elektroniske egenskaber, mens de har det nødvendige båndgab for at skabe transistorer, " sagde Riedo. "Det kan være, at grafenoxid er måden at nå frem til den type materiale."