Atomisk-skala skræddersyet grafen nærmer sig makroskopisk verden

Materialers egenskaber er ofte defineret af ufuldkommenheder i deres atomare struktur, især når selve materialet kun er et atom tykt, såsom grafen. Forskere ved universitetet i Wien har nu udviklet en metode til kontrolleret skabelse af sådanne ufuldkommenheder i grafen i længdeskalaer, der nærmer sig den makroskopiske verden. Disse resultater, bekræftet af atomisk opløste mikroskopbilleder og offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver , tjene som et væsentligt udgangspunkt både for at skræddersy grafen til applikationer og til udvikling af nye materialer.

Grafen består af kulstofatomer arrangeret i et kyllingetrådslignende mønster. Dette et-atom-tykke materiale er berømt for sine mange ekstraordinære egenskaber, såsom ekstrem styrke og bemærkelsesværdig evne til at lede elektricitet. Siden dens opdagelse, forskere har ledt efter måder at skræddersy grafen yderligere gennem kontrolleret manipulation af dets atomare struktur. Imidlertid, indtil nu, sådanne ændringer er kun blevet bekræftet lokalt, på grund af udfordringer i atomopløsningsbilleddannelse af store prøver og analyse af store datasæt.

Nu har et team omkring Jani Kotakoski ved universitetet i Wien sammen med Nion Co. kombineret et eksperimentelt setup bygget op omkring et Nion UltraSTEM 100-mikroskop med atomopløsning og nye tilgange til billeddannelse og dataanalyse gennem maskinlæring for at bringe grafenkontrol i atomskala mod makroskopiske stikprøvestørrelser. Den eksperimentelle procedure er vist i figur 1.

Eksperimentet begynder med at rense grafen via laserbestråling, hvorefter det modificeres kontrollerbart ved hjælp af lavenergi argonionbestråling. Efter at have overført prøven til mikroskopet under vakuum, det afbildes ved atomopløsning med en automatisk algoritme. De optagede billeder sendes til et neuralt netværk, som genkender atomstrukturen, hvilket giver et omfattende overblik over ændringen i atomskalaen af ​​prøven.

"Nøglen til det vellykkede eksperiment var kombinationen af ​​vores unikke eksperimentelle opsætning med de nye automatiserede billedbehandlings- og maskinlæringsalgoritmer, " siger Alberto Trentino, hovedforfatteren af ​​undersøgelsen. "At udvikle alle nødvendige stykker var en rigtig teamindsats, og nu kan de nemt bruges til opfølgende eksperimenter, " fortsætter han. Ja, efter denne bekræftede atom-skala modifikation af grafen over et stort område, forskerne udvider allerede metoden til at anvende de skabte strukturelle ufuldkommenheder til at forankre urenhedsatomer til strukturen. "Vi er begejstrede for udsigten til at skabe nye materialer, der er designet med start på atomniveau, baseret på denne metode, " Jani Kotakoski, lederen af ​​forskergruppen, afslutter.