Grafen på siliciumcarbid kan lagre energi

Ved at indføre defekter i den perfekte overflade af grafen på siliciumcarbid, forskere ved Linköpings Universitet i Sverige har øget materialets kapacitet til at lagre elektrisk ladning. Dette resultat, som er offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Electrochemica Acta, øger vores viden om, hvordan dette ultratynde materiale kan bruges.

Det tyndeste materiale, der nogensinde er produceret, grafen, består af et enkelt lag af kulstofatomer. De danner en kyllingetrådsstruktur på et atom tyk, med unikke egenskaber. Det er omkring 200 gange stærkere end stål, og meget fleksibel. Det er gennemsigtigt, men gasser og væsker kan ikke passere igennem den. Ud over, det er en fremragende leder af elektricitet. Der er mange ideer om, hvordan dette nanomateriale kan bruges, og forskning i fremtidige applikationer er intens.

"Graphene er fascinerende, men ekstremt svært at studere, " siger Mikhail Vagin, ledende forskningsingeniør ved Institut for Naturvidenskab og Teknologi og Institut for Fysik, Kemi og biologi ved Linköpings Universitet.

En af de faktorer, der bidrager til vanskeligheden ved at forstå grafens egenskaber, er, at det er det, der er kendt som et "anisotropt" materiale. Dette betyder, at dets egenskaber, når det måles på den plane overflade af carbonatomlaget, adskiller sig fra dem, der måles ved kanterne. Desuden, forsøg på at forstå grafens adfærd på atomniveau kompliceres af, at det kan fremstilles på flere måder. Egenskaberne af grafen i små flager, som har mange kanter, adskiller sig på flere måder fra grafen fremstillet som plader med et areal omkring 1 cm2.

Forskerne, der udførte undersøgelsen, brugte grafen skabt på en krystal af siliciumcarbid ved en metode udviklet ved Linköpings Universitet. Når siliciumcarbid opvarmes til 2000 °C, siliciumatomer på overfladen bevæger sig til dampfasen, og kun kulstofatomerne er tilbage. Grafenen reagerer ikke let med omgivelserne på grund af den høje kvalitet af grafenlaget og dets medfødte træghed, mens applikationer ofte er afhængige af kontrolleret interaktion mellem materialet og omgivelserne, som gasmolekyler. En løbende diskussion blandt forskere på området er, om det er muligt at aktivere grafen på den flade overflade, eller om det er nødvendigt at have kanter. LiU-forskerne undersøgte, hvad der sker, når defekter i overfladen introduceres på en kontrolleret måde, og på denne måde forsøgte at forstå mere detaljeret, hvordan grafens egenskaber hænger sammen med dets struktur.

"En elektrokemisk proces kendt som 'anodisering' nedbryder grafenlaget, således at der skabes flere kanter. Vi målte egenskaberne af anodiseret grafen og opdagede, at materialets kapacitet til at lagre elektricitet var ret høj, " siger Mikhail Vagin.

Mere arbejde er nødvendigt, før den nye viden kan bruges, og at producere den samme effekt i større skala. Forskerne planlægger at følge forskningen op på flere måder.

"Graphen på siliciumcarbid kan laves i større områder end andre typer grafen. Hvis vi kan ændre materialets egenskaber på en kontrolleret måde, dvs. det kan være muligt at skræddersy overfladen til andre funktioner. Det kan være muligt, for eksempel, at skabe en sensor, der har sit eget indbyggede batteri, " siger Mikael Syväjärvi, ledende forskningsingeniør ved Institut for Fysik, Kemi og biologi og medforfatter til artiklen. Han er en af ​​grundlæggerne af en virksomhed, Graphensic AB, der fungerer med kommercielle anvendelser af grafen på siliciumcarbid.

Resultaterne er opstået fra et gradsprojekt udført i et samarbejde mellem Graphensic og forskere ved Linköpings Universitet.