Snoede kanter kan forbedre grafen

Langt fra at være en defekt, en snoet tråd af ulige ringe ved grænsen af ​​to ark grafen har kvaliteter, der kan vise sig at være værdifulde for producenterne, ifølge Rice University-forskere.

grafen, den atomtykke form af kulstof, fremstår sjældent som et perfekt gitter af kyllingetrådslignende seks-atom ringe. Når det dyrkes via kemisk dampaflejring, det består normalt af "domæner, " eller separat dyrkede plader, der blomstrer udad fra varme katalysatorer, indtil de mødes.

Hvor de mødes, de regulære rækker af atomer er ikke nødvendigvis rettet ind, så de skal justere, hvis de skal danne et kontinuerligt grafenplan. Den justering fremstår som en korngrænse, med uregelmæssige rækker af fem- og syvatoms ringe, der kompenserer for vinkelforskellen.

Den teoretiske fysiker Boris Yakobsons rislaboratorium havde beregnet, at ringe med syv kulstofatomer kan være svage pletter, der mindsker grafens legendariske styrke. Men ny forskning hos Rice viser, at snoede korngrænser kan, i nogle tilfælde, hærde det, der er kendt som polykrystallinske plader, svarer næsten til styrken af ​​uberørt grafen.

Bekvemt, de kan også skabe et "stort elektronisk transportgab, " eller båndgab, ifølge avisen. Perfekt grafen giver mulighed for ballistisk transport af elektricitet, men elektronik kræver materialer, der kontrollerbart kan stoppe og starte flowet. Disse er kendt som halvledere, og evnen til at kontrollere halvledende egenskaber i grafen (og andre todimensionelle materialer) er et meget søgt mål.

I det nye værk, som optræder i Avancerede funktionelle materialer , Yakobson og hans team ledet af postdoktor Zhuhua Zhang fastslog, at i visse vinkler, disse "slyngede" grænser lindrer stress, der ellers ville svække arket.

"Hvis stress langs grænsen blev lindret, styrken af ​​grafen ville blive forbedret, " sagde Zhang. "Men dette gælder kun for snoede korngrænser sammenlignet med lige grænser."

Yakobson og hans team beregner den mekaniske styrke af korngrænser for at bestemme, hvordan de påvirker hinanden:hvor grænserne er tilbøjelige til at binde, og hvor de sandsynligvis vil bryde under trækspænding. Korngrænser kunne minimere grænsefladeenergien mellem ark ved at danne par af ringe kaldet dislokationer, hvor et atom skifter fra en seks-leddet ring til sin nabo for at danne forbundne fem- og syvatomsenheder.

Nogle gange dikterer domænernes vinkler vikling snarere end lige grænser. Zhang og hans medforfattere simulerede disse bugtede grænser for at måle deres trækstyrke og båndgab-egenskaber. Han fastslog, at hvor disse små sektioner er periodiske – dvs. når deres mønstre gentages langs grænsen - deres kvaliteter gælder for hele det polykrystallinske ark.

Bemærkelsesværdigt, en af ​​hans simuleringer af energetisk "foretrukne" snoede korngrænser var et næsten perfekt match til den asymmetriske grænse, han så i et papir fra 2011 i tidsskriftet Nature. Scanningstransmissionselektronmikroskopibilledet viste en atomare korngrænsestruktur med et meget lignende arrangement af dislokationer. Kun ét par ringe ud af de hundrede i udsigt var malplaceret, sandsynligvis på grund af en forvrængning forårsaget af bestråling fra mikroskopets elektronstråle, sagde Zhang.

For at drage fordel af rislaboratoriets forudsigelser, videnskabsmænd skulle finde ud af, hvordan man dyrker polykrystallinsk grafen med præcis fejljustering af komponenterne. Dette er en høj ordre, sagde Yakobson.

"Men dette - indtil videre, hypotetisk - kan opnås, hvis grafen nukleerer ved det polykrystallinske metalsubstrat med foreskrevne kornorienteringer, så de nye kulstoføer arver forskydningen af ​​skabelonen nedenunder, " sagde Yakobson.