Forskning flytter grænserne for elektronmikroskopi for at låse op for potentialet for grafen

(Phys.org)—Elektronmikroskopi ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory giver hidtil usete visninger af de individuelle atomer i grafen, at tilbyde videnskabsmænd en chance for at frigøre materialets fulde potentiale til brug fra motorforbrænding til forbrugerelektronik.

Grafenkrystaller blev først isoleret i 2004. De er todimensionelle (et atom i tykkelse), hårdere end diamanter og langt stærkere end stål, giver hidtil uset stivhed, elektriske og termiske egenskaber. Ved at se atom- og bindingskonfigurationerne af individuelle grafenatomer, forskere er i stand til at foreslå måder at optimere materialer på, så de er bedre egnede til specifikke applikationer.

I et blad udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve , et team af forskere fra Oak Ridge National Laboratory og Vanderbilt University brugte aberrationskorrigeret scanningstransmissionselektronmikroskopi til at studere den atomare og elektroniske struktur af siliciumurenheder i grafen.

"Vi har brugt nye eksperimentelle og beregningsmæssige værktøjer til at afsløre bindingsegenskaberne for individuelle urenheder i grafen. F.eks. vi kan nu skelne mellem et ikke-carbonatom, der er todimensionelt eller tredimensionelt bundet i grafen. Faktisk, vi var endelig i stand til direkte at visualisere en bindingskonfiguration, der blev forudsagt i 1930'erne, men som aldrig er blevet observeret eksperimentelt, " sagde ORNL-forsker Juan-Carlos Idrobo.

Elektroner i kredsløb om et atom falder i fire brede kategorier - s, p, d og f – baseret på faktorer, herunder symmetri og energiniveauer.

"Vi observerede, at silicium d-tilstande kun deltager i bindingen, når silicium er todimensionelt koordineret, " sagde Idrobo. "Der er mange grundstoffer såsom chrom, jern, og kobber, hvor d-tilstandene eller d-elektronerne spiller en dominerende rolle i at bestemme, hvordan grundstoffet bindes i et materiale."

Ved at studere den atomare og elektroniske struktur af grafen og identificere eventuelle urenheder, forskere kan bedre forudsige, hvilke elementære tilføjelser der vil forbedre materialets ydeevne.

En lille ændring af den kemiske sammensætning af grafen kunne tilpasse materialet, gør den mere velegnet til en række forskellige applikationer. For eksempel, en elementær tilføjelse kan gøre materialet til en bedre erstatning for platinkatalysatorerne i biler, mens en anden kan give den mulighed for at fungere bedre i elektroniske enheder eller som en membran.

Grafen har potentialet til at erstatte den indre funktion af elektroniske gadgets, folk bruger hver dag på grund af dets evne til at lede varme og elektricitet og dets optiske gennemsigtighed. Det tilbyder et billigere og mere rigeligt alternativ til indium, en begrænset ressource, der er meget udbredt i den gennemsigtige ledende belægning, der findes i næsten alle elektroniske displayenheder, såsom digitale skærme i biler, TV, bærbare computere og håndholdte gadgets som mobiltelefoner, tablets og musikafspillere.

Forskere forventer, at de billeddannelsesteknikker, der er demonstreret på ORNL, vil blive brugt til at forstå de atomare strukturer og bindingskarakteristika for atomer i andre todimensionelle materialer, også.