Pålidelig kvalitetskontrol af grafen og andre 2-D materialer er rutinemæssigt mulig, siger forskere

Grafen og andre enkeltatom-tykke stoffer er en kategori af vidundermaterialer, med forskere verden over, der undersøger deres elektroniske egenskaber til potentielle anvendelser i teknologier så forskellige som solceller, nye halvledere, sensorer, og energilagring.

Den største udfordring for designet af disse enkeltlags- eller 2-D-materialer til alle deres utallige potentielle anvendelser er behovet for en atom-for-atom perfektion og ensartethed, som kan være vanskelig og omhyggelig at opnå i så små skalaer, og det er også svært at vurdere.

"Vi forsøger at være mere kloge end naturen i at samle disse materialer, " sagde Michael C. Tringides, en seniorforsker ved det amerikanske energiministeriums Ames Laboratory og professor i fysik ved Iowa State University, der undersøger de unikke egenskaber af 2-D materialer og metaller dyrket på grafen, grafit, og andre kulstofbelagte overflader. "Og for at gøre det, vi tvinger atomer til at samles på måder, de normalt ikke ville. En af feltets store udfordringer er pålideligt at producere grafen af ​​høj kvalitet og andre lignende materialer."

Tringides og andre forskere ved Ames Laboratory har opdaget og bekræftet en metode, der kunne tjene som en nem, men pålidelig måde at teste kvaliteten af ​​grafen og andre 2-D materialer. Det udnytter den meget brede baggrund i overfladeelektron-diffraktion, kaldet Bell-Shaped-Component (BSC), som er stærkt korreleret til ensartet mønstret, eller "perfekt" grafen.

Forståelse af sammenhængen har implikationer for pålidelig kvalitetskontrol af 2-D materialer i et produktionsmiljø.

"Denne opdagelse udfordrer konventionel visdom, men sammenhængen mellem dette mærkelige fænomen og grafen af ​​høj kvalitet er umiskendelig. I praktisk anvendelse, vi ser det strækker sig til andre højinteresse 2-D materialer, der ligner grafen ved at have lignende ensartethed af et enkelt lag, sagde Tringides.

Sidste år, Ames Laboratory-forskere opdagede gennem lavenergi elektrondiffraktion - en teknik, der almindeligvis bruges i fysik til at studere krystalstrukturen af ​​overfladerne af faste materialer - at brede diffraktionsmønstre er en indikator, der pålideligt demonstrerer et 2-D-materiales høje kvalitet. Det var en egenskab af grafen af ​​høj kvalitet, der i det væsentlige lurede i baggrunden, og var blevet overset i publiceret forskning, fordi det var det stik modsatte af, hvad der generelt accepteres fra diffraktionsstudier - at kun skarpe, lyse diffraktionspletter bør være til stede. Fordi det fund var kontraintuitivt, yderligere undersøgelse var nødvendig under forskellige eksperimentelle forhold og for at forstå oprindelsen af ​​BSC, sagde Tringides.

Først, forskerne dyrkede grafen ved udglødning, eller opvarme det, gennem en række høje temperaturer, og sammenligne væksten af ​​BSC-diffraktionen sammen med væksten af ​​den anden, generelt accepteret indikator for skarpe diffraktionspletter. Udviklingen af ​​den brede diffraktionsbaggrund afspejlede tæt udviklingen af ​​den skarpere plet, hvilket beviste, at de er korrelerede. For det andet gruppen eksperimenterede derefter med at afsætte metalatomer (i dette tilfælde dysprosium) på overfladen og under grafenen. Kaldes interkalation, denne deponeringsproces er en af ​​måderne, hvorpå videnskabsmænd kan tilpasse 2-D materialer til specifikke funktioner. I det andet eksperiment, videnskabsmænd målte væksten af ​​BSC under interkalation - svag, når metalatomerne først er uordnede, og derefter stigende efterhånden som metalatomerne klikker på plads mellem grafenen og substratet, skabe et ensartet lag. Så selvom BSC ikke var et lærebogsdiffraktionsmønster, dens årsag er lærebogs kvantemekanik - da elektroner presses ind i et enkelt lag, deres bølgevektorer skal spredes, skabe det brede diffraktionsmønster.

Forskningen diskuteres yderligere i papiret "Højlagsensartethed af todimensionelle materialer demonstreret overraskende fra brede træk i overfladeelektrondiffraktion, "forfattet af S. Chen, M. Horn von Hoegen, P. A. Thiel, A. Kaminski, B. Schrunk, T. Speliotis, E.H. Conrad, og M. C. Tringides; og offentliggjort i Journal of Physical Chemistry Letters .