Fremstilling af fejlfri grafenbelægninger

grafen, det ultratynde vidundermateriale kun et enkelt kulstofatom i tykkelse, har løftet om så imponerende applikationer som slidstærke, friktionsfri belægninger. Men først skal producenterne kunne producere store ark grafen under præcist kontrollerede forhold. Dirk van Baarle undersøgte, hvordan grafen vokser i atomskala, og hvad der bestemmer friktionen med andre materialer.

Forudsigelig kvalitet

En næsten perfekt friktionsfri, slidstærk belægning i maskiner kan generere enorme besparelser i brændstof og vedligeholdelse. I nanoteknologiens verden vil sådanne belægninger sandsynligvis endda have anvendelser, som vi i øjeblikket ikke er i stand til at forudsige. I sin ph.d.-forskning studerede Dirk van Baarle en kandidat til sådanne belægninger:grafen. Van Baarle:"Det er noget af en udfordring at producere grafen af ​​en forudsigelig kvalitet."

Grafen er kun superstærkt, hvis trådnettet af kulstofatomer, der udgør materialet, er helt regelmæssigt i form. Men med de nuværende produktionsmetoder, et ark grafen består i praksis næsten altid af et patchwork af små stykker, der er blevet podet på hinanden. Van Baarle var i stand til næsten pr. kulstofatom i live at observere, hvordan øer af grafen vokser mod hinanden, og hvordan denne proces påvirkes af temperatur og substrat. Dette er det første skridt mod en produktionsmetode til at lave større, fejlfrie plader af grafen.

Kyllingetrådsmønster

Grafen opstår spontant, når en meget ren overflade af iridium kommer i kontakt med ethylen (C2H4, et kulbrinte) ved en temperatur på omkring 700 grader Celsius. Gasmolekylerne opløses på den varme overflade, efterlader kulstofatomerne, som spontant danner et netværk af forbundne sekskanter, i et hønsenet mønster.

Til sin forskning brugte Van Baarle et unikt stykke udstyr i Huygens-Kamerlingh Onnes Laboratory, VT-STM (Variable Temperature Scanning Tunneling Microscope). Dette apparat består af en lille pen med en spids, der kun er nogle få atomer tyk. Det kan bruges til systematisk at scanne en overflade med en så høj grad af præcision (det du faktisk gør, er at måle strømmen af ​​strøm mellem pennen og overfladen), at selv individuelle atomer kan skelnes. Det, der gør Leiden-instrumentet unikt, er, at det kan gøre dette selv ved høje og variable temperaturer.

Et bemærkelsesværdigt fund er, at atomprocesser ikke kun forekommer i det voksende lag af grafen. I praksis, overfladen af ​​iridium matcher ikke atomlagene i substratet perfekt. Iridium danner brede trin på overfladen, hvor grafenet vokser over det. Men disse trin kan fortsætte med at vokse under grafen eller kan trække sig tilbage som følge af, at iridiumatomerne i substratet tilpasser sig. denne proces, også, skal kontrolleres tæt for at tillade perfekte ark af grafen.

Kontaktpunkter

I den teoretiske del af hans forskning, Van Baarle udviklede en model for, hvordan friktion opstår på atomniveau. Når to overflader glider over hinanden, de faktiske kontaktpunkter er kun nanometer store, kun få atomer. Friktionen er maksimal, når stivheden af ​​nano-fremspringene er nogenlunde gennemsnitlig:ikke for blød, men heller ikke for stiv.

Van Baarle:"En af mine kolleger belægger i øjeblikket en genstand med nano-nåle ved hjælp af en litografiteknik (en teknik, der også bruges til computerchips). Disse nåle varierer i stivhed, afhængig af i hvilken retning de bøjer. Det betyder, at overfladens friktion er forskellig i forskellige retninger." Dette kan være nyttigt, for eksempel, til en belægning på en roterende akse, for at forhindre, at den bevæger sig sideværts.

"Internt bruger vi allerede grafenbelægninger i vores udstyr for at reducere friktionen uden at bruge smøremidler, " forklarer Van Baarle. "Det har allerede resulteret i et patent og en opstart, Påførte nanolag. Ikke underligt, at vores professor, Joost Frenken, har allerede vundet en valoriseringspris. "