Forskning giver gennembrud i forståelsen af ​​grafens elektroniske egenskaber

(Phys.org)—Forskning i de elektroniske egenskaber af supermaterialet grafen kunne bringe os et skridt tættere på at tage det fra laboratoriet til at udvikle det til brug i kommercielle produkter. Forskere ved SuperSTEM-faciliteten ved UK Science and Technology Facilities Councils Daresbury Laboratory har, for første gang, været i stand til at observere ændringer i den elektroniske struktur af grafen, da det er bindinger med et fremmed element tilføjet til det kun et atom ad gangen. Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet, Nano bogstaver .

Først isoleret i 2004 på University of Manchester, 'mirakel' materiale grafen er det letteste, stærkeste og mest ledende materiale kendt af mennesket, med stort kommercialiseringspotentiale på grund af dets mekaniske styrke og uovertrufne elektroniske egenskaber. Det er 200 gange stærkere end stål, men kun et atom tykt og derfor todimensionelt, det er ekstremt vanskeligt at manipulere for at gøre brug af disse fordele, eller at binde det med andre materialer for at udvikle salgbare produkter. Kommercielt har det potentiale til at have applikationer lige fra telekommunikation til energiteknologi og elektronik. Det er også i stand til at lede elektricitet en million gange bedre end kobber og er stærkere end andre eksisterende ledere.

Et vigtigt spørgsmål, der skal løses, før grafen kan anvendes på et kommercielt produkt, er, at det mangler en funktion kaldet et 'band gap', hvilket betyder at, i praksis, det ville være næsten umuligt at 'slukke' en elektronisk transistor baseret på ren grafen. En af de lovende måder at konstruere et båndgab i grafen og overvinde denne begrænsning er gennem kemisk modifikation, kendt som doping.

Imidlertid, som et todimensionelt materiale, grafen er al overflade og er derfor fuldstændig udsat for sit miljø og stærkt påvirket af sine omgivelser. De mindste strukturelle variationer kan have en enorm indvirkning på dens egenskaber.

Ledet af SuperSTEMs professor Quentin Ramasse, sammen med forskere fra universiteterne i Leeds og Manchester, holdet har nu været i stand til at observere de mindste variationer, der opstår, når et ark grafen er dopet med et enkelt siliciumatom.

Professor Quentin Ramasse, Videnskabelig direktør hos SuperSTEM, sagde:

"Det, vi har vist her, handler ikke om, hvilket bestemt atom grafen skal dopes med for at udnytte dets elektriske egenskaber, men at vi har evnen til at se, i mindste detalje, præcis, hvordan et enkelt fremmed atom integreres i grafenet - uanset om det glider sømløst ind, eller om det forvrænger grafengitteret med så lidt som 10 billiontedele af en meter, og vigtigst af alt, hvordan forvrængningerne og det præcise bindingsarrangement påvirker den elektroniske struktur af det atom og dets miljø. Sådanne små ændringer i bindingen af ​​disse elementer kan på sin side påvirke grafenarkets makroskopiske opførsel betydeligt, og især dens elektriske respons, så det er vigtigt at være i stand til bogstaveligt talt at fingeraftrykke bindingen af ​​disse materialer, et atom ad gangen. Dette kunne bane vejen for forskning for at identificere, hvilke atomer der bedst binder sig til grafen. Man kan sige, at dette markerer starten på eksperimentel fysisk kemi på enkeltatomniveau."

Den præcise karakterisering af bindingen af ​​enkelte atomer er afgørende for udviklingen af ​​praktiske anvendelser af todimensionelle materialer, såsom grafen. I december kansleren, George Osborne, annoncerede £21,5 mio. i finansiering via EPSRC til de mest lovende grafen-relaterede forskningsprojekter på britiske universiteter, i planer om at øge 'fremstilleligheden' af grafen.