Argonne-forskere er de første til at dyrke grafen på sølv

(Phys.org) —Sølv, møde grafen. Super stærk, super let, næsten fuldstændig gennemsigtig og en af ​​de bedste ledere af elektricitet nogensinde opdaget, grafen er et et-atom-tykt ark af kulstofatomer, der skylder sine fantastiske egenskaber at være todimensionelle.

grafen, møde sølv. Sølv er et ædelt metal af høj kvalitet, der korroderer meget langsomt i fugtig luft og ikke typisk interagerer kemisk med andre stoffer. grafen, i mellemtiden, er en eftertragtet platform for ny fysik og enhedsapplikationer.

"Du har ét materiale, sølv, det er rigtig godt til at begrænse lys og andet, grafen, det er rigtig godt med effektivt at flytte elektroner, " sagde Northwestern University kandidatstuderende Brian Kiraly, som opdagede den nye proces, der gjorde væksten af ​​grafen på sølv mulig.

Forskere ved Department of Energy's Argonne National Laboratory, i samarbejde med forskere ved Northwestern Universit, er de første til at dyrke grafen på sølv, som indtil nu har udgjort en stor udfordring for mange på området. En del af problemet har at gøre med sølvets egenskaber; den anden involverer den proces, hvorved grafen dyrkes.

Kemisk dampaflejring er i øjeblikket industristandarden for dyrkning af grafen. Teknikken tillader kulbrinter, som metan eller ethylen, at nedbrydes på en varm platform for at danne kulstofatomer, der bliver til grafen. Imidlertid, denne teknik virker ikke med en sølvplatform.

"Den traditionelle metode til at nedbryde kulbrinte på et overgangsmetal virkede ikke, " sagde Nathan Guisinger, en stabsforsker ved Argonne's Center for Nanoscale Materials. "Metanen vil ikke nedbrydes, det vil bare ramme det varme sølv og hoppe af og forblive metan, så der er ingen kulstofkilde til rent faktisk at dyrke grafen."

På dette tidspunkt, at finde ud af, hvordan man dyrker grafen på sølv, forskerne havde brug for at forstå materialets atomare og molekylære egenskaber. For eksempel, atomart kulstof fordamper ved ekstremt høje temperaturer - over 2, 400 grader Celsius - hvilket tvinger forskerne til at tage højde for en række forskellige parametre for at skabe et lag på et atom tykt.

Derudover hvorimod grafen konventionelt dyrkes ved temperaturer på 1, 000 grader C eller derover, den nye Argonne-Northwestern teknik dyrker den ved en lavere temperatur på 750 grader, give forskerne flere muligheder for at arbejde med materialet. Denne metode sænker også processen for at bestemme den rigtige væksthastighed og fordeling for et enkelt lag af kulstofatomer, der lander på sølvet.

Det første trin i at dyrke grafenlaget var at sikre, at sølvsubstratet var "atomisk rent" - en hård standard at opfylde.

"Det er meget svært at lave en atomisk ren platform, " sagde Guisinger. "Næsten alle platforme, der udsættes for luft, vil blive dækket af et vandlag og oxidere." For at forhindre dette fænomen i at opstå, forskerne arbejder i et specialdesignet miljø med ultrahøjt vakuum.

For indledningsvis at rengøre platformen, Kiraly brugte en teknik kaldet "sputter annealing". Det er her platformen, der bruges til at dyrke grafen, sprøjtes med ioner, der tygger overfladen op og befrier den for alt organisk eller uorganisk materiale. Det næste trin er at udgløde metallet, en proces, der heler det og giver mulighed for atomisk rene og flade overflader, " sagde Kiraly.

Efter en række undersøgelser, forskerne opdagede, at de med succes havde aflejret et enkelt lag grafen på sølv.

Opmuntret af dette resultat, forskerne håber at demonstrere, hvordan man kan lag grafen med andre et-atom-tykke materialer, såsom silicen, i stablede atomlag for at skabe hybride materialer.

På grund af sølvs fremragende optiske egenskaber, Kiraly forestiller sig, at denne forskning kan anvendes i detektorer.

"Konventionelt, du kan lave ting med både optiske og elektroniske komponenter til dem, som i opto-elektroniske enheder, " sagde Kiraly. "Alt som en fotodetektor eller en solcelle har en form for lysinteraktion, der svarer til en elektronisk effekt eller omvendt."

Der er øget interesse for at flytte grafen fra laboratoriet til lettere, mere energieffektive forbrugerenheder. University of Manchester i England, for eksempel, vil afslutte deres National Graphene Institute næste år til en værdi af £61 millioner.

"Med opdagelsen af, hvordan man laver grafen, nu er der en jagt på flere todimensionelle materialer. Når de først er opdaget, vi vil gerne vide, hvordan man kombinerer dem, sagde Guisinger.

Men for nu, det er op til videnskabsmænd som Guisinger og Kiraly at finde ud af, hvordan disse atom-store stykker passer sammen for at skabe de næste teknologiske gennembrud.

Arbejdet er beskrevet i et papir, "Vækst fra fast kilde og karakterisering af grafen på atomare skala på Ag(111)", offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .