Grafen løgringe har lækkert potentiale

Koncentriske sekskanter af grafen dyrket i en ovn på Rice University repræsenterer første gang nogen har syntetiseret grafen nanobånd på metal fra bunden og op - atom for atom.

Som set under et mikroskop, lagene fik løg til at tænke på, sagde Rice kemiker James Tour, indtil en kollega foreslog, at flad grafen aldrig kunne være som et løg.

"Så jeg sagde, 'OKAY, det er løgringe, '"Tour quipped.

Navnet sidder fast, og de bemærkelsesværdige ringe, som kemikere undrede sig over var endda mulige, er beskrevet i et nyt papir i Journal of the American Chemical Society .

Udfordringen var at finde ud af, hvordan sådan noget kunne vokse, sagde Tour. Som regel, grafen dyrket i en varm ovn ved kemisk dampaflejring starter på et frø - et støvkorn eller en bump på en kobber- eller anden metallisk overflade. Et kulstofatom låser sig fast på frøet i en proces kaldet kernedannelse, og andre følger efter for at danne det velkendte hønsetrådsgitter.

Eksperimenter i Tours laboratorium for at se, hvordan grafen vokser under højt tryk og i et brintrigt miljø producerede de første ringe. Under disse forhold, Tur, Den risteoretiske fysiker Boris Yakobson og deres hold fandt ud af, at hele kanten af ​​et hurtigtvoksende ark grafen bliver et kernedannelsessted, når det hydrogeneres. Kanten lader kulstofatomer komme ind under grafenhuden, hvor de starter et nyt ark.

Men fordi den øverste grafen vokser så hurtigt, det stopper til sidst strømmen af ​​kulstofatomer til det nye ark nedenunder. Bunden holder op med at vokse, efterlader en grafenring. Derefter gentages processen.

"Mekanismen er afhængig af det øverste lag for at forhindre kulstof i at nå bunden så let, " sagde Tour. "Det, vi får, er et multiplum af enkeltkrystaller, der vokser oven på hinanden."

Tour-laboratoriet var banebrydende for bulkproduktionen af ​​enkeltatom-tykke grafen-nanobånd i 2009 med opdagelsen af, at kulstof-nanorør kunne "pakkes ud" kemisk til lange, tynde plader. Nanobånd bliver undersøgt til brug i batterier og avanceret elektronik og som køleplader.

"Normalt laver man et bånd ved at tage en stor ting og klippe den ned, "Tour sagde." Men hvis du kan vokse et bånd nedefra og op, du kunne have kontrol over kanterne." Atomkonfigurationen ved kanten hjælper med at bestemme grafens elektriske egenskaber. Kanterne på sekskantede grafenløgringe er zigzag, som gør ringene metalliske.

"Den store nyhed her, " han sagde, "er, at vi kan ændre det relative pres fra vækstmiljøet for brint versus kulstof og få helt nye strukturer. Dette er dramatisk anderledes end almindeligt grafen."

Kandidatstuderende Zheng Yan, medlem af Tour's lab og hovedforfatter af papiret, opdagede den nye vej til nanobånd, mens de eksperimenterede med grafenvækst under hydrogen under tryk i varierende grad. Det søde sted for ringe var på 500 Torr, han sagde.

Yderligere test fandt de mikroskopiske ringe dannet under og ikke på toppen af ​​arket, og Yakobsons laboratorium bekræftede vækstmekanismen gennem første-princip-beregninger. Yan fastslog også, at det øverste ark af grafen kunne fjernes med argonplasma, efterlader selvstændige ringe.

Ringenes bredde, som varierede fra 10 til 450 nanometer, påvirker også deres elektroniske egenskaber, så at finde en måde at kontrollere det på vil være et fokus for fortsat forskning, sagde Tour. "Hvis vi konsekvent kan lave 10 nanometer bånd, vi kan begynde at lukke dem og omdanne dem til lavspændingstransistorer, " sagde han. De kan også være velegnede til lithiumopbevaring til avancerede lithiumionbatterier, han sagde.