Naast het vermogen om elektronen bijna zonder weerstand te geleiden, het nanomateriaal grafeen heeft ook verbazingwekkende mechanische eigenschappen, inclusief hoge sterkte die het ooit nuttig zou kunnen maken in lichtgewicht, robuuste constructies. Maar dit materiaal is niet zonder gebreken - inclusief een familie van bloemachtige defecten die afbreuk zouden kunnen doen aan de elektronische en mechanische eigenschappen.

In een paper gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review B, onderzoekers van het Georgia Institute of Technology en het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een familie van zeven potentiële defectstructuren beschreven die kunnen voorkomen in vellen grafeen en afgebeelde voorbeelden van het laagste energiedefect in de familie.

De defecten kunnen optreden om mechanische stress in de koolstofatoom-honingraatstructuur van grafeen te helpen verlichten door atomen toe te staan ​​zich uit te spreiden en iets meer ruimte in te nemen. Dergelijke stress kan ontstaan ​​tijdens de groei van grafeen of door het uitrekken van de grafeenplaat.

"Voor een ingenieur die geïnteresseerd is in de mechanische eigenschappen van grafeen om atoomdikke membranen te maken, bijvoorbeeld, het zou heel belangrijk zijn om dit soort eigenschappen te begrijpen, die aanleiding kunnen geven tot plastische vervorming van het materiaal, ’ zei Philip First, een van de co-auteurs van het artikel en een professor aan de Georgia Tech School of Physics. “Bijvoorbeeld, het kan zijn dat deze defecten slechts een deel zijn van de kinetische weg naar falen voor een gespannen plaat grafeen."

Voor elektronische toepassingen, de defecten kunnen elektronen afbuigen en terugverstrooiing veroorzaken die de weerstand van het materiaal zou verhogen - zoals een rots in een stroom de stroming van water vertraagt. Echter, Ten eerste zegt dat verbeterde groeitechnieken die zijn ontwikkeld sinds het begin van de defectstudie, die zorg kunnen wegnemen.

“Met de groeitechnieken die nu zijn ontwikkeld met siliciumcarbide, we zien deze gebreken meestal niet, ’ merkte hij op. "De defecten treden op bij materiaal waarvan we weten dat het van mindere kwaliteit is vanwege de groeiomstandigheden of substraatvoorbereiding."

Defecten kunnen optreden als gevolg van de beweging van koolstofatomen bij hoge temperaturen, legde NIST-collega Joseph Stroscio uit. Herschikkingen van grafeen die de minste hoeveelheid energie vereisen, omvatten het overschakelen van de standaard zesledige koolstofringen naar structuren met vijf of zeven atomen. De NIST-onderzoekers hebben ontdekt dat het aan elkaar rijgen van vijf- en zevenledige ringen in gesloten lussen een nieuw type defect of korrelgrenslus in het honingraatrooster creëert.

Volgens NIST-onderzoeker Eric Cockayne, het fabricageproces speelt een grote rol bij het creëren van de defecten.

“Terwijl het grafeen zich vormt onder hoge hitte, delen van het rooster kunnen losraken en roteren, ' zei hij. “Terwijl het grafeen afkoelt, deze gedraaide secties sluiten weer aan op het rooster, maar op een onregelmatige manier. Het is bijna alsof stukjes grafeen met een schaar zijn uitgeknipt, met de klok mee gedraaid, en gemaakt om weer op dezelfde plek te passen. Alleen past het echt niet, daarom krijgen we deze bloemen.”

Tot dusver, alleen het bloemdefect, die is samengesteld uit zes paar ringen van vijf en zeven atomen, is geobserveerd. Modellering van de atomaire structuur van grafeen door het NIST-team suggereert dat er een waar boeket van bloemachtige configuraties zou kunnen zijn. Deze configuraties – zeven in totaal – zouden elk hun eigen unieke mechanische en elektrische eigenschappen hebben, zei Cockayne.

Hoopt ​​eerst dat het team de gebreken kan blijven bestuderen, zowel om te leren of hun vorming kan worden gecontroleerd als om de rol van defecten in de mechanische eigenschappen van het materiaal te verduidelijken.

“Grafeen is sterk en licht, dus de mechanische eigenschappen zijn van groot belang, ’ merkte hij op. "Begrijpen hoe het uit elkaar scheurt, is een interessante vraag met belangrijke implicaties. Maar zelfs met deze gebreken, grafeen is nog steeds spectaculair sterk.”