Uorganisk nanotråd følger krystalstrukturen i dets grafenskabelon

(Phys.org) - Graphene, en todimensionel form for kulstof, har mange egenskaber, hvilket gør den unikt egnet til nanodelenheder. For en, selvom det består af et netværk af kulstofatomer, den viser ekstraordinær ledningsevne gennem sit π-elektronnetværk. Derudover grafen er en billig, fleksibelt underlag, hvilket gør det til en praktisk mulighed for konstruktion af enheder. Mange grupper er interesserede i måder at justere nanomaterialer på grafenoverflader frem for at funktionalisere grafen, som ændrer nogle af grafens ønskelige egenskaber.

Et team af forskere fra University of Tokyo, Japan Science and Technology Agency, University of California i Berkeley, Ulsan National Institute of Science and Technology, Harvard Universitet, Konkuk Universitet, og Lawrence Berkeley National Laboratory har opdaget, at guld (I) cyanid (AuCN) nanotråde samles på uberørt grafen under milde forhold. De fastslog, at disse nanotråde spontant flugter med grafens zigzaggitter, giver mulighed for undersøgelser af grafens strukturelle karakter samt for det kontrollerede design af uorganiske nanostrukturer. Deres arbejde vises i Naturnanoteknologi .

En af vanskelighederne ved at inkorporere uorganiske molekyler på grafen er, at grafen er kemisk inert. De fleste bestræbelser på at producere et uorganisk lag på et grafensubstrat involverer enten brug af grafen, der har defekter eller reagerer med kanterne af et grafenbånd. Denne undersøgelse er unik ved, at nanotråde dannet på uberørt grafen. Vigtigere, undersøgelser bekræftede, at grafen forblev uberørt, selv efter at nanotråde blev dannet. Nanotråde blev fjernet ved hjælp af en grundlæggende løsning, giver uberørt grafen. Desuden, yderligere undersøgelser med forskellige typer kulstofoverflader viste, at AuCN -nanotrådene fortrinsvis vokser på uberørte grafenoverflader.

Syntese af AuCN nanotråde blev udført under relativt milde forhold. Typisk, denne type uorganisk reaktion, hvor en forbindelse reageres på et substrat som grafen, sker ved hjælp af kemisk dampaflejring. Kemisk dampaflejring udføres under barske temperatur- og trykforhold. Lee et al. rapportere en syntese, hvor enkeltlags grafen og fast guld placeres i en vandig opløsning af 250 mM ammoniumpersulfat ved stuetemperatur i 17 timer. Guldet kan enten være guldnanopartikler eller en guldmikrostruktur, afhængigt af målene for reaktionen. Syren oxiderer guldet til dannelse af nanotråde. Graphen fungerer som et substrat for nukleation og vækst af nanotråde.

Karakteriseringsundersøgelser viste, at nanotråde udelukkende var sammensat af AuCN. Desuden, AuCN nanotråde danner en nanoribbon -struktur på grafenoverfladen på en sådan måde, at de er analoge med grafensigzaggitterstrukturen. Dette er et centralt fund, fordi egenskaberne ved grafengitteret kan studeres ved at se på orienteringen af ​​AuCN -nanoribbons. Normalt kræver undersøgelse af grafens gitterstruktur særlige prøveforberedelser og krav til substrat, der kan være tidskrævende. Imidlertid, ved at se på AuCN nanoribbon egenskaber ved hjælp af en teknik såsom scanning elektronmikroskopi, som kræver minimal prøveforberedelse, man kan lettere skelne grafens korngrænser og andre egenskaber.

Fordi nanotråde vil følge grafengitterstrukturen, Lee et al. demonstreret, at man kunne kontrollere orienteringen af ​​nanostrukturer. De var i stand til at fremstille grafen -nanoribbons af høj kvalitet, der følger en bestemt gitterretning. De var også i stand til at fremstille guld nanopartikelkæder, der var på linje med grafenets zigzag gitterretning.

På grund af de unikke inerte betingelser for denne reaktion, Lee et al. foretaget førsteprincipberegninger for at forstå, hvad der fremmer denne substratinducerede nanotråddannelse, som kan give spor til at udvikle en generel mekanisme til fremstilling af nanomaterialer under inerte forhold.

De fandt ud af, at AuCN fastholdt sin sekskantede krystalstruktur og grafen bevarede dets sp ² kulstofstruktur. Mellemlagsforskellen mellem AuCN -krystallerne og grafenarket er næsten den samme som mellemlagsforskellen mellem Au (1 1 1) og grafen. Dette tyder på, at den primære interaktion er mellem grafen og guldatomet i AuCN. Imidlertid, bindingsenergien for AuCN på grafen er meget højere end for Au (1 1 1), tyder på, at grafens π-elektroner interagerer med det elektronfattige guld i AuCN. Denne unikke π -interaktion kan være drivkraften bag den spontane binding mellem nanotråde og grafen, og kan være en ejendom, der kan bruges til at konstruere andre nanomaterialer.

Samlet set, Lee et al. demonstreret en let syntese af grafenskabelon AuCN nanotråde, der spontant flugter med uberørt grafens zigzaggitter. Dette giver mulighed for bedre karakterisering af grafens krystalegenskaber samt styring af orienteringen af ​​fremstillede nanomaterialer. Interaktionen mellem π -elektronerne og guldatomet i AuCN uden at forstyrre grafens kulstofnetværk er en unik interaktion, der kan udnyttes til yderligere undersøgelser af konstruktion af nanodeapparater.

© 2015 Phys.org