Strammere syninger giver bedre grafen

(Phys.org) -- Svarende til, hvordan strammere sting giver en quilt af bedre kvalitet, "syningen" mellem individuelle krystaller af grafen påvirker, hvor godt disse kulstofmonolag leder elektricitet og bevarer deres styrke, Det rapporterer Cornell-forskere.

Kvaliteten af ​​denne "stikning" - grænserne, hvor grafenkrystaller vokser sammen og danner ark - er lige så vigtig som størrelsen af ​​selve krystallerne, som videnskabsmænd tidligere havde troet holdt nøglen til at lave bedre grafen.

Forskerne, ledet af Jiwoong Park, assisterende professor i kemi og kemisk biologi og medlem af Kavli Institute ved Cornell for Nanoscale Science, brugte avancerede måle- og billedbehandlingsteknikker til at fremsætte disse påstande, detaljeret online i journalen Videnskab 1. juni.

Grafen er et enkelt lag af kulstofatomer, og materialeforskere er engageret i en slags våbenkapløb for at manipulere og forbedre dens fantastiske egenskaber - trækstyrke, høj elektrisk ledningsevne, og potentielle anvendelser inden for fotonik, solcelleanlæg og elektronik. Tegnefilm viser grafen som et perfekt atomært hønsenet, der strækker sig i det uendelige.

I virkeligheden, grafen er polykrystallinsk; det dyrkes via en proces kaldet kemisk dampaflejring, hvori små krystaller, eller korn, i tilfældige orienteringer vokser af sig selv og slutter sig sammen i kulstof-kulstofbindinger.

I tidligere arbejde offentliggjort i Nature sidste januar, Cornell-gruppen havde brugt elektronmikroskopi til at sammenligne disse grafenark med patchwork-tæpper - hver "lapp" repræsenteret ved orienteringen af ​​grafenkornene (og falske farvede for at gøre dem smukke).

De, sammen med andre videnskabsmænd, undrede sig over, hvordan grafens elektriske egenskaber ville holde sig baseret på dets polykrystallinske natur. Konventionel visdom og nogle tidligere indirekte målinger havde fået videnskabsmænd til at antage, at dyrkning af grafen med større krystaller - færre pletter - kunne forbedre dets egenskaber.

Det nye værk sætter spørgsmålstegn ved det dogme. Gruppen sammenlignede, hvordan grafen fungerede baseret på forskellige vækstrater via kemisk dampaflejring; nogle voksede de langsommere, og andre, meget hurtigt. De fandt ud af, at jo mere reaktiv, hurtigvoksende grafen, med flere patches, på visse måder bedre elektronisk end den langsommere vækst grafen med større pletter.

Som det viste sig, hurtigere vækst førte til strammere syning mellem korn, hvilket forbedrede grafenens ydeevne, i modsætning til større korn, der var mere løst holdt sammen.

"Det, der er vigtigt her, er, at vi skal fremme vækstmiljøet, så kornene hænger godt sammen, " sagde Park. "Det, vi viser, er, at korngrænser var en hovedbekymring, men det kan være at det er ligegyldigt. Vi er ved at finde ud af, at det nok er ok."

Lige så vigtig for disse observationer var de komplekse teknikker, de brugte til at foretage målingerne - ingen let opgave. En fire-trins elektronstrålelitografiproces, udviklet af Adam Tsen, en kandidatstuderende i anvendt fysik og papirets første forfatter, tillod forskerne at placere elektroder på grafen, direkte oven på et 10 nanometer tykt membransubstrat for at måle elektriske egenskaber af enkeltkornsgrænser.

"Vores teknik sætter en tone for, hvordan vi kan måle atomisk tynde materialer i fremtiden, " tilføjede Park.

Samarbejdspartnere ledet af David A. Muller, professor i anvendt og teknisk fysik og meddirektør for Kavli Institute ved Cornell for Nanoscale Science, brugte avancerede transmissionselektronmikroskopiteknikker til at hjælpe Parks gruppe med at afbilde deres grafen for at vise forskellene i kornstørrelserne.

Arbejdet blev støttet af Air Force Office of Scientific Research, og National Science Foundation gennem Cornell Center for Materials Research. Fremstilling blev udført på Cornell NanoScale Science and Technology Facility.