(PhysOrg.com) -- Door de gelaagde groei van grafeen te beheersen - een relatief "nieuwe" vorm van koolstof die slechts één atoom dik is - hebben onderzoekers van Brookhaven National Laboratory intrigerende details ontdekt over de superieure elektrische en optische eigenschappen van het materiaal. Hun bevindingen kunnen helpen grafeen te positioneren als het materiaal van de volgende generatie voor toekomstige computers, digitale displays, en elektronische sensoren.

"Grafeen is een materiaal dat echt het potentieel heeft om silicium in de elektronica-industrie te vervangen, " zei Peter Sutter, een materiaalwetenschapper in Brookhaven's Centre for Functional Nanomaterials. "Het is dun, transparant, sterk, en zeer geleidend - allemaal buitengewoon aantrekkelijke eigenschappen voor alles, van computerchips tot aanraakschermen en zonnecellen."

Een van de grootste uitdagingen voor onderzoekers is uitzoeken hoe grafeen in grote hoeveelheden kan worden geproduceerd. De eenvoudigste methode is het afpellen van losse vellen grafeen van grafiet, een materiaal dat bestaat uit vele grafeenlagen, met stukjes plakband. Maar deze methode levert slechts kleine, gekartelde vlokken die voor de meeste toepassingen niet bruikbaar zijn.

Bij Brookhaven, Sutter's groep kweekt grafeen op een metalen substraat, een techniek die enkellaagse platen kan produceren over zeer grote oppervlakken, duizenden malen groter dan de stukken gemaakt met de "Scotch tape"-methode. Eerst, een eenkristal van ruthenium wordt verwarmd tot temperaturen hoger dan 1000 graden Celsius terwijl het wordt blootgesteld aan een koolstofrijk gas. Bij hoge temperaturen, koolstofatomen kunnen in ruimtes in het metaalkristal persen, vergelijkbaar met water dat wordt opgenomen door een spons. Terwijl het kristal langzaam afkoelt, deze koolstofatomen worden verdreven naar het oppervlak van het metaal, waar ze individuele lagen grafeen vormen. Het aantal gevormde lagen kan worden geregeld door de hoeveelheid koolstofatomen die aanvankelijk in het rutheniumkristal wordt geabsorbeerd.

"Een van de unieke aspecten van deze methode is dat we de dikte van het materiaal kunnen controleren, grafeen laag voor laag laten groeien, "Zei Sutter. "Hierdoor hebben we kunnen zien hoe de structuur en elektronische eigenschappen van het materiaal veranderen als afzonderlijke atomaire koolstoflagen één voor één aan het substraat worden toegevoegd."

Omdat de onderzoeksgroep wilde bepalen hoe het metalen substraat de eigenschappen van grafeen beïnvloedt, het was belangrijk om de kenmerken van het gelaagde materiaal te volgen terwijl het werd gekweekt - een mogelijkheid die werd geboden door een speciale microscoop bij NSLS-straallijn U5.

"Eerst, we konden zien hoe het materiaal groeide, en dan, zonder het uit het systeem te verwijderen, we konden de fotonenstraal inschakelen en de elektronische structuur ervan bepalen, "Zei Stutter. "Het is buitengewoon waardevol om alles in dezelfde omgeving te doen."

Om metingen voor het materiaal te verkrijgen met verschillende aantallen grafeenplaten, de groep gebruikte micro-hoek-opgeloste foto-elektronenspectroscopie, een techniek waarmee onderzoekers de elektronische structuur van zeer kleine interessegebieden kunnen bestuderen.

Hun bevindingen, gepubliceerd op 8 juli 2009 editie van Nano-letters , waren verrassend.

"We ontdekten dat als een enkele grafeenplaat wordt gekweekt op een metaal zoals ruthenium, het metaal bindt zeer sterk aan de koolstofatomen en verstoort de karakteristieke eigenschappen die normaal worden gevonden in geïsoleerd grafeen, "Zei Sutter. "Maar die eigenschappen komen weer naar voren in volgende lagen die op het substraat zijn gegroeid."

Met andere woorden, de eerste grafeenlaag gegroeid op ruthenium verzadigt het metalen substraat, waardoor de rest van de lagen hun normale eigenschappen kunnen terugkrijgen.

"Als resultaat van dit groeiproces, een stapel met twee lagen werkt als een geïsoleerde monolaag van grafeen en een stapel met drie lagen werkt als een geïsoleerde dubbellaag, ' zei Sutter.

De bevindingen van de groep, waaronder ook Brookhaven-onderzoekers Mark Hybertsen, Jurek Sadowski, en Eli Sutter, legt de basis voor toekomstige grafeenproductie voor geavanceerde technologieën, en helpt onderzoekers te begrijpen hoe metalen - bijvoorbeeld in apparaatcontacten - de eigenschappen van grafeen veranderen.