Individuelle urenhedsatomer kan påvises i grafen

Et hold med fysikere fra universitetet i Basel har haft held med at bruge atomkraftmikroskopi til at opnå klare billeder af individuelle urenhedsatomer i grafenbånd. Takket være kræfterne målt i grafenens todimensionelle kulstofgitter, de var i stand til at identificere bor og nitrogen for første gang, som forskerne rapporterer i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

Grafen er lavet af et todimensionalt lag af kulstofatomer arrangeret i et sekskantet gitter. De stærke bindinger mellem carbonatomerne gør grafen ekstremt stabil, men fleksibel. Det er også en glimrende elektrisk leder, hvorigennem der næsten ikke kan tabes strøm.

Grafens karakteristiske egenskaber kan udvides yderligere ved at inkorporere urenhedsatomer i en proces kendt som "doping". Urenhedsatomerne forårsager lokale ændringer i ledningen, der, for eksempel, tillade grafen at blive brugt som en lille transistor og muliggøre konstruktion af kredsløb.

I et samarbejde mellem forskere fra University of Basel og National Institute for Material Science i Tsukuba i Japan, Kanazawa University og Kwansei Gakuin University i Japan, og Aalto -universitetet i Finland, forskerne skabte og undersøgte specifikt grafenbånd indeholdende urenhedsatomer.

De erstattede særlige kulstofatomer i det sekskantede gitter med bor- og nitrogenatomer ved hjælp af overfladekemi, ved at placere egnede organiske precursorforbindelser på en guldoverflade. Under varmeeksponering op til 400°C, små grafenbånd dannet på guldoverfladen fra forstadierne, inklusive urenhedsatomer på specifikke steder.

Forskere fra holdet ledet af professor Ernst Meyer fra Swiss Nanoscience Institute og University of Basel's Department of Physics undersøgte disse grafenbånd ved hjælp af atomkraftmikroskopi (AFM). De brugte en kuliltefunktionaliseret spids og målte de bittesmå kræfter, der virker mellem spidsen og de enkelte atomer.

Denne metode gør det muligt at detektere selv de mindste forskelle i kræfter. Ved at se på de forskellige kræfter, forskerne var i stand til at kortlægge og identificere de forskellige atomer. "De kræfter, der måles for nitrogenatomer, er større end for et carbonatom, " forklarer Dr. Shigeki Kawai, hovedforfatter på undersøgelsen og tidligere postdoc i Meyers team. "Vi målte de mindste kræfter for boratomerne." De forskellige kræfter kan forklares ved den forskellige andel af frastødende kræfter, hvilket skyldes de forskellige atomradier.

Computersimuleringer bekræftede aflæsningerne, beviser, at AFM-teknologi er velegnet til at udføre kemiske analyser af urenhedsatomer i de lovende todimensionelle kulstofforbindelser.