Fysikere kortlægger stammen i vidundermaterialet grafen

Denne uge, en international gruppe af videnskabsmænd rapporterer om et gennembrud i bestræbelserne på at karakterisere grafens egenskaber noninvasivt, samtidig med at de indhenter information om dets reaktion på strukturelle belastninger.

Ved hjælp af Raman -spektroskopi og statistisk analyse, det lykkedes gruppen at tage målinger i nanoskala af belastningen til stede ved hver pixel på materialets overflade. Forskerne opnåede også et billede i høj opløsning af grafenoverfladens kemiske egenskaber.

Resultaterne, siger Slava V. Rotkin, professor i fysik og også i materialevidenskab og teknik ved Lehigh University, potentielt kunne gøre det muligt for forskere at overvåge belastningsniveauer hurtigt og præcist, mens grafen fremstilles. Dette kan igen hjælpe med at forhindre dannelsen af ​​defekter, der er forårsaget af belastning.

"Forskere vidste allerede, at Raman-spektroskopi kunne opnå implicit nyttig information om stamme i grafen, " siger Rotkin. "Vi viste eksplicit, at man kan kortlægge stammen og indsamle information om dens virkninger.

"I øvrigt, ved hjælp af statistisk analyse, vi viste, at det er muligt at lære mere om fordelingen af ​​belastning inde i hver pixel, hvor hurtigt belastningsniveauerne ændrer sig, og effekten af ​​denne ændring på grafenens elektroniske og elastiske egenskaber."

Gruppen rapporterede sine resultater i Naturkommunikation i en artikel med titlen "Raman spektroskopi som probe af nanometer-skala stammevariationer i grafen."

Ud over Rotkin, artiklen er forfattet af forskere fra RWTH/Aachen University og Jülich Research Center i Tyskland; Université Paris i Frankrig; Universidade Federal Fluminense i Brasilien; og National Institute for Materials Science i Japan.

Grafen er det tyndeste materiale, videnskaben kender, og også en af ​​de stærkeste. Et 1-atom-tykt ark kulstof, grafen var det første 2-dimensionelle materiale, der nogensinde blev opdaget. Efter vægt, det er 150 til 200 gange stærkere end stål. Det er også fleksibelt, tæt, praktisk talt gennemsigtig og en fremragende leder af varme og elektricitet.

I 2010 Andre Geim og Konstantin Novoselov vandt Nobelprisen i fysik for deres innovative eksperimenter med grafen. Ved hjælp af almindelig klæbende tape, det lykkedes de to britiske fysikere at skrælle lag af grafen fra grafit – ingen nem opgave i betragtning af, at 1 millimeter grafit består af 3 millioner lag grafen.

I det årti eller deromkring, siden Geim og Novoselov begyndte at offentliggøre resultaterne af deres forskning i grafen, materialet har fundet vej til flere anvendelser, lige fra tennisketchere til smartphone-touchskærme. 2013-markedet for grafen i USA, ifølge en artikel fra Nature i 2014, blev anslået til 12 millioner dollars.

Adskillige forhindringer hæmmer yderligere kommercialisering af grafen. En af disse er tilstedeværelsen af ​​defekter, der belaster grafens gitterstruktur og påvirker dets elektroniske og optiske egenskaber negativt. Relateret til dette er vanskeligheden ved at producere grafen af ​​høj kvalitet til lave omkostninger og i store mængder.

"Graphene er stabilt og fleksibelt og kan udvide sig uden at gå i stykker, " siger Rotkin, som brugte efteråret 2013 på at arbejde på RWTH/University of Aachen. "Men det har rynker, eller bobler, på dens overflade, som giver overfladen en bakket stemning og forstyrrer potentielle anvendelser. "

Et lag af grafen er typisk lavet på et substrat af siliciumdioxid ved en proces kaldet kemisk dampaflejring. Materialet kan belastes ved forurening, der opstår under processen, eller fordi grafen og substrat har forskellige termiske ekspansionskoefficienter og dermed afkøles og krymper med forskellige hastigheder.

For at bestemme egenskaberne af grafen, gruppen brugte Raman -spektroskopi, en kraftfuld teknik, der opsamler lys spredt fra et materiales overflade. Gruppen anvendte også et magnetfelt for at få yderligere information om grafenen. Det magnetiske felt styrer elektronernes adfærd i grafen, gør det muligt at se mere klart virkningerne af Raman-spektroskopien, Siger Rotkin.

"Raman-signalet repræsenterer 'fingeraftrykket' af grafenens egenskaber, " sagde Rotkin. "Vi forsøger at forstå indflydelsen af ​​magnetfeltet på Raman-signalet. Vi varierede magnetfeltet og bemærkede, at hver Raman -linje i grafen ændret sig som reaktion på disse variationer. "

Den typiske rumlige opløsning af "Raman-kortet" af grafen er omkring 500 nanometer (nm), eller bredden af ​​laserpunktet, gruppen rapporterede i Naturkommunikation . Denne opløsning gør det muligt at måle variationer i belastningen på en mikrometerskala og bestemme den gennemsnitlige mængde belastning, der påføres grafen.

Ved at udføre en statistisk analyse af Raman-signalet, imidlertid, gruppen rapporterede, at den var i stand til at måle belastningen ved hver pixel og kortlægge belastningen, og variationerne i belastning, en pixel ad gangen.

Dermed, gruppen rapporterede, den var i stand til at "skelne mellem belastningsvariationer på en mikrometerskala, som kan udvindes fra rumligt opløste Raman-kort, og nanometer-skala belastningsvariationer, som er på længdeskalaer i sub-pletstørrelse og ikke kan observeres direkte ved Raman-billeddannelse, men betragtes som vigtige kilder til spredning til elektronisk transport."

Gruppen producerede sine grafenprøver ved hjælp af kemisk dampaflejring (CVD) ved RWTH/University of Aachen.