Symmetri betyder noget i grafenvækst

Hvad der ligger under voksende øer af grafen er vigtigt for dets egenskaber, ifølge en ny undersøgelse ledet af Rice University.

Forskere ved Rice analyserede mønstre af grafen-et enkelt atom-tykt lag kulstof-dyrket i en ovn via kemisk dampaflejring. De opdagede, at det geometriske forhold mellem grafen og substratet, det underliggende materiale, som kulstof samler atom for atom, bestemmer, hvordan øens former fremkommer.

Undersøgelsen ledet af Rice -teoretiske fysiker Boris Yakobson og postdoktorforsker Vasilii Artyukhov viser, hvordan det krystallinske arrangement af atomer i substrater, der almindeligvis bruges i grafenvækst, såsom nikkel eller kobber, styrer, hvordan øer dannes. Resultaterne dukkede op i dag i Fysisk gennemgangsbreve .

"Eksperimenter, der viser grafens fantastiske elektroniske egenskaber, udføres typisk på mekanisk eksfolieret grafen, "Sagde Artyukhov." Det begrænser dig med hensyn til flakstørrelsen, og det er dyrt, hvis du har brug for meget materiale. Så alle forsøger at finde en bedre måde at dyrke det fra gasser som metan (kilden til kulstofatomer) ved hjælp af forskellige substratmetaller. Problemet er, de resulterende krystaller ser forskellige ud fra substrat til substrat, selvom det hele er grafen. "

Yakobson sagde, at forskere ofte ser ulige formede grafeneøer dyrket ved kemisk dampaflejring, "og vi har alle undret os over hvorfor. Generelt, det er meget overraskende, fordi i grafen, de seks sider skal være identiske. "Trekanter og andre former, han sagde, er eksempler på symmetribrud; systemer, der ellers ville producere regelmæssige former "går i stykker" og producerer mindre regelmæssige.

Graphen dannes i en kemisk dampaflejringsovn, når carbonatomer, der flyder i den varme tåge, sætter sig på det metalliske substrat. Atomer forbinder sig i karakteristiske sekssidede ringe, men som en ø vokser, dens overordnede form kan antage forskellige former, fra sekskanter til aflange sekskanter til mere tilfældige strukturer, endda trekanter. Forskerne fandt en stærk sammenhæng mellem øens ultimative form og arrangementet af atomer i den udsatte overflade af substratet, som kan være trekantet, firkant, rektangulær eller på anden måde.

Forskerne fandt, at individuelle atomer følger vejkortet, der er angivet af substratet, som illustreret ved et mikroskopbillede af to kobbersubstratkorn, der er vært for to forskellige former for grafen, selvom vækstbetingelserne er identiske. På et korn, grafenøerne er alle næsten perfekte sekskanter; på den anden, de sekskantede øer er langstrakte og justerede.

"Billedet viser, at de grundlæggende vækstmekanismer er de samme, men forskellen på øerne skyldes de subtile forskelle mellem de krystallografiske overflader af grafen og kobber, "Sagde Yakobson.

Fordi grafenkanter er så vigtige for dets elektroniske egenskaber, ethvert skridt i retning af at forstå dets vækst er vigtigt, han sagde. Om en grafenkant ender som en zigzag, en lænestol eller noget derimellem afhænger af, hvordan individuelle atomer falder i ligevægt, når de afbalancerer energier mellem deres tilstødende kulstofatomer og underlagets.

Atomer i metaller danner et specifikt arrangement, et krystalgitter, såsom et rent kobbergitter kaldet "ansigtscentreret kubik." Men enkelte korn kan have forskellige overflader i polykrystallinsk materiale som kobberfolier, der ofte bruges som grafen-vækstsubstrater.

"Afhængigt af måden du skærer en terning på, du kan ende med firkant, rektangulære eller endda trekantede flader, "Sagde Artyukhov." Overfladen af ​​kobberfolie kan have forskellige teksturer forskellige steder. Elektronmikroskopi viste, at alle grafeneøer, der vokser på det samme kobberkorn, har en lignende form, for eksempel, alle perfekte sekskanter, eller alt sammen langstrakt. "

Han sagde, at øerne arver symmetrien på kornets overflader og vokser hurtigere i nogle retninger, hvilket forklarer den særegne fordeling af former.

Når vækstprocessen er lang nok, øerne smelter sammen til større grafenfilm. Hvor kulstofgitterne ikke flugter med hinanden, atomerne søger ligevægt og danner korngrænser, der styrer det større arks elektroniske egenskaber. Forskere - og industrier - ønsker måder at kontrollere grafens halvledende egenskaber ved at kontrollere grænserne.

"En god forståelse af denne proces giver anvisninger om, hvordan man organiserer øernes gensidige orientering, "Sagde Yakobson." Så når de smelter sammen, kan du af design, skabe særlige korngrænser med særligt interessante egenskaber. Så denne forskning, mere end bare at tilfredsstille vores nysgerrighed, er meget nyttig. "

Han foreslog, at de samme beregninger kunne gælde for væksten af ​​andre todimensionale materialer som sekskantet bornitrid eller molybdendisulfid og dets slægtninge, også bredt undersøgt for deres potentiale for elektronik.

Papirets medforfattere er Yufeng Hao, forsker ved Columbia University, og Rodney Ruoff, direktør for Center for Multidimensionale kulstofmaterialer ved Ulsan National Institute of Science and Technology, Ulsan, Sydkorea.