Elektronmikroskopi giver atom-for-atom viden om dopet grafen og kulstofnanorør

En tråd af forskning forfulgt i et pan-europæisk samarbejde ledet af Aalto University Department of Applied Physics forskere har givet fremtrædende resultater for elektronmikroskopi af nitrogen-doteret grafen og kulstof nanorør.

En artikel offentliggjort i september i tidsskriftet ACS Nano giver en detaljeret atomistisk beskrivelse af den elektronstråle-inducerede skade i disse vigtige strukturer ved at kombinere avancerede beregningsmetoder med state-of-the-art elektronmikroskopi.

Toma Susi, postdoc ved Aalto Universitets Institut for Anvendt Fysik, begyndte at studere systemet i 2010 sammen med den nuværende forsker ved universitetet i Wien, Jani Kotakoski.

"Vores arbejde begyndte som et tilfældigt møde under en workshop-postersession. Jeg havde spørgsmål, som Jani kunne besvare ved hjælp af computermodellering. Samarbejdet voksede til sidst til at omfatte 11 forfattere fra fem europæiske lande, " fortæller Toma Susi.

Susi og hans kolleger undersøgte, hvordan de energiske elektronstråler, der bruges i transmissionselektronmikroskoper, påvirker kulstofbaserede nanomaterialer dopet med nitrogenatomer.

"Mikroskoperne fungerer grundlæggende efter samme princip som optiske mikroskoper, men de bruger elektronbølger i stedet for lys til billeddannelsen. Materialerne er interessante, fordi de har spændende muligheder for nanoelektronik, metalfri elektrokatalyse og gassensing."

Den nøjagtige atombinding af doteringsmidlerne påvirker i høj grad den resulterende modifikation af værtsegenskaber. Den seneste banebrydende udvikling inden for instrumentering har muliggjort atom-for-atom-analyse og endda direkte billeddannelse af nitrogensteder i grafen. Imidlertid, da elektroner bærer momentum, uelastiske kollisioner kan føre til udstødning af atomer fra målmaterialet, potentielt føre til fejlidentifikation af de umodificerede dopingstofstrukturer.

"Mest spændende, vi kunne direkte afbilde udstødningen af ​​kulstofatomer ved siden af ​​dopingstofferne og aldrig selve dopingstofferne - nøjagtigt som simuleringerne forudsagde, forklarer Susi."

Udover at give en forbedret forståelse af disse strukturers strålingsstabilitet, resultaterne viser, at strukturelle ændringer ikke kan negligeres i karakterisering ved hjælp af højenergielektroner. Denne forestilling vil øges i betydning, efterhånden som enhederne bliver mere kraftfulde.

"Til trods for de betydelige videnskabelige resultater, historien i vores artikel illustrerer godt, hvordan videnskabeligt samarbejde fungerer. Jeg holdt et foredrag ved det femte ScienceSLAM Helsinki-arrangement om historien om artiklen og fulgte op med et blogindlæg med en analyse af de 720 e-mails, der blev udvekslet mellem medforfatterne. Da forskningen ikke var direkte relateret til noget bestemt projektarbejde, det viser også, hvad en smule akademisk frihed og ganske beskedne ressourcer i bedste fald kan føre til. Jeg er taknemmelig over for vores gruppeleder professor Esko Kauppinen for at støtte vores arbejde."