Iagttagelse af tilfældig diffusion af manglende atomer i grafen

Ufuldkommenheder i de almindelige atomarrangementer i krystaller bestemmer mange af et materiales egenskaber, og deres spredning er bag mange mikrostrukturelle ændringer i faste stoffer. Imidlertid, billeddannelse af ikke-gentagende atomarrangementer er vanskelig i konventionelle materialer. Nu, forskere ved universitetet i Wien har direkte afbildet spredningen af ​​en sommerfugleformet atomare defekt i grafen, det nyligt opdagede todimensionale vidundermateriale, over lange billedsekvenser. Resultaterne offentliggøres i det prestigefyldte tidsskrift Naturkommunikation .

Defekter på atomare skala er altid til stede i materialer. For konventionelle materialer er de skjult inde i et stort antal perfekt arrangerede atomer, undtagen ved overfladen. Imidlertid, situationen er anderledes for lavdimensionelle materialer som grafen.

Grafen er et honeycomb-lignende arrangement af kulstofatomer kun et kulstofatom tykt. Siden opdagelsen i 2004, flere bemærkelsesværdige egenskaber ved dette materiale er blevet målt. For eksempel, den er stærkere end diamant og leder elektricitet bedre end kobber, men er ikke desto mindre gennemsigtig og bemærkelsesværdig fleksibel. Fordi alle atomerne i grafen er på overfladen, individuelle atomer og eventuelle defekter i strukturen er direkte synlige i et højopløsningselektronmikroskop, men samtidig interagerer de nemt med miljøet.

Defekten, som forskerne koncentrerede sig om i den nylige undersøgelse i Wien, er en dobbelt ledig stilling, der dannes, når to atomer mangler i krystallen. I den mest stabile form af denne defekt omdannes hexagoner i grafengitteret til et arrangement af fire femkanter og fire heptagoner (fem og syvledede kulstofringe, henholdsvis), der ligner en sommerfugl i atomskala. Undersøgelsen blev udført med Nion UltraSTEM 100 mikroskop, som først blev installeret i Wien sidste år. Kombinationen af ​​ultrahøjt vakuum og lav accelerationsspænding i denne enhed var nøglekomponenter for undersøgelsens succes. I tidligere forsøg, defekterne har altid hurtigt udviklet sig til mere komplekse strukturer eller konverteret tilbage til krystallinsk grafen, forhindrer således den kontinuerlige billeddannelse af deres diffusion over lange tidsrum. Nu, defekterne forblev stabile i længere tid, hvilket tillod en statistisk analyse af deres bevægelse.

Forskerne brugte elektronstrålen i mikroskopet til at transformere defekten mellem forskellige arrangementer, hvilket resulterede i en migration af strukturen fra et billede til det næste. "Det var bemærkelsesværdigt for første gang at se, hvordan en defekt transformerer og migrerer i krystallen over flere minutter, mens vi ser den", siger Jani Kotakoski, hovedforfatteren af ​​undersøgelsen. En omhyggelig analyse af defektens vej afslørede, at defekten udførte en tilfældig tur gennem krystallen. "Vores undersøgelse åbner en ny rute for direkte undersøgelse af defektmigrering og diffusion i lavdimensionelle materialer, som også kan føre til ny indsigt i defektdynamik i faste stoffer generelt", slutter han.