Nanoschaalsimulaties en theoretisch onderzoek uitgevoerd in het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy brengen wetenschappers dichter bij het realiseren van het potentieel van grafeen in elektronische toepassingen.

Een onderzoeksteam onder leiding van ORNL's Bobby Sumpter, Vincent Meunier en Eduardo Cruz-Silva hebben ontdekt hoe loops zich ontwikkelen in grafeen, een elektrisch geleidend materiaal met een hoge sterkte en een laag gewicht dat lijkt op een honingraat op atomaire schaal.

Structurele lussen die zich soms vormen tijdens een grafeenreinigingsproces kunnen het materiaal ongeschikt maken voor elektronische toepassingen. Het overwinnen van dit soort problemen is van groot belang voor de elektronica-industrie.

"Grafeen is een rijzende ster in de materialenwereld, gezien het potentieel voor gebruik in precieze elektronische componenten zoals transistors of andere halfgeleiders, " zei Bobby Sumpter, een stafwetenschapper bij ORNL.

Het team gebruikte kwantummoleculaire dynamica om een ​​experimenteel grafeenreinigingsproces te simuleren, zoals besproken in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven . Berekeningen uitgevoerd op ORNL-supercomputers wezen de onderzoekers op een over het hoofd geziene tussenstap tijdens de verwerking.

Beeldvorming met een transmissie-elektronenmicroscoop, of TEM, onderwierp het grafeen aan elektronenbestraling, wat uiteindelijk lusvorming verhinderde. De ORNL-simulaties toonden aan dat door elektronen te injecteren om een ​​beeld te verzamelen, de elektronen veranderden tegelijkertijd de structuur van het materiaal.

"Een foto maken met een TEM is niet zomaar een foto maken, ' zei Sumpter. 'Je kunt de foto misschien aanpassen terwijl je ernaar kijkt.'

Het onderzoek bouwt voort op bevindingen besproken in een 2009 Wetenschap papier (Jia et al.), waar Meunier en Sumpter hielpen bij het demonstreren van een proces dat grafeenranden reinigt door een stroom door het materiaal te laten lopen in een proces dat bekend staat als Joule-verwarming. Grafeen is slechts zo goed als de uniformiteit of netheid van de randen, die bepalen hoe effectief het materiaal elektronen kan overbrengen. Meunier zei dat het vermogen om grafeenranden efficiënt te reinigen cruciaal is voor het gebruik van het materiaal in elektronica.

"Stel je hebt een mooie sportwagen, maar dan realiseer je je dat het vierkante wielen heeft. Wat goed is het? Dat is alsof je gekartelde randen hebt op grafeen, ' zei Meunier.

Recente experimentele studies hebben aangetoond dat het Joule-verwarmingsproces kan leiden tot ongewenste lussen die verschillende grafeenlagen met elkaar verbinden. Het PRL-papier geeft een atomistisch begrip van hoe elektronenbestraling van een transmissie-elektronenmicroscoop het grafeenreinigingsproces beïnvloedt door lusvorming te voorkomen.

"We kunnen de randen schoonmaken, en niet alleen dat, we kunnen begrijpen waarom we ze kunnen schoonmaken, ' zei Meunier.