Een onderzoeksteam onder leiding van scheikundigen van de Universiteit van Buffalo heeft synchrotron-lichtbronnen gebruikt om de elektronenwolken op het oppervlak van grafeen te observeren, het produceren van een reeks beelden die laten zien hoe plooien en rimpelingen in het opmerkelijke materiaal de geleidbaarheid ervan kunnen schaden.

Het onderzoek, verschijnt 28 juni in Nature Communications, werd uitgevoerd door UB, het Nationaal Instituut voor Standaarden en Technologie (NIST), de Molecular Foundry in het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), en SEMATECH, een wereldwijd consortium van halfgeleiderfabrikanten.

grafeen, het dunste en sterkste materiaal dat de mens kent, bestaat uit een enkele laag koolstofatomen die in een honingraatachtige opstelling zijn verbonden.

De speciale structuur van grafeen maakt het ongelooflijk geleidend:onder ideale omstandigheden, wanneer grafeen volledig vlak is, elektrische ladingen razen er doorheen zonder veel obstakels tegen te komen, zei Sarbajit Banerjee, een van de UB-onderzoekers die het onderzoek leidden Natuurcommunicatie .

Maar de omstandigheden zijn niet altijd optimaal.

De nieuwe afbeeldingen die Banerjee en zijn collega's hebben gemaakt, laten zien dat wanneer grafeen wordt gevouwen of gebogen, de elektronenwolk langs het oppervlak wordt ook kromgetrokken, waardoor het moeilijker wordt voor een elektrische lading om door te reizen.

"Als grafeen plat is, dingen lopen gewoon langs de wolk. Ze hoeven nergens overheen te springen. Het is als een snelweg, " zei Banerjee, een assistent-professor scheikunde. "Maar als je het buigt, nu zijn er enkele obstakels; stel je het verschil voor tussen een pas geasfalteerde snelweg en een snelweg met over de hele lengte bouwwerkzaamheden die het wisselen van rijstrook forceren.

"Toen we de elektronenwolk in beeld brachten, je kunt je dit grote donzige kussen voorstellen, en we zagen dat het kussen hier en daar gebogen is, " zei Banerjee, wiens National Science Foundation CAREER-prijs de primaire financiering voor het project opleverde.

Om de afbeeldingen te maken en de factoren te begrijpen die de elektronenwolk verstoren, Banerjee en zijn partners gebruikten twee technieken waarvoor een synchrotron nodig was:scanning transmissie röntgenmicroscopie en near edge röntgenabsorptie fijne structuur (NEXAFS), een soort absorptiespectroscopie. De experimenten werden verder ondersteund door computersimulaties die werden uitgevoerd op computerclusters in Berkeley Lab.

"Met behulp van simulaties, we kunnen de metingen die onze collega's hebben gedaan met behulp van röntgenstralen beter begrijpen, en beter voorspellen hoe subtiele veranderingen in de structuur van grafeen zijn elektronische eigenschappen beïnvloeden, " zei David Prendergast, een stafwetenschapper in de Theory of Nanostructures Facility bij de Molecular Foundry in Berkeley Lab. "We zagen dat gebieden van grafeen onder verschillende hoeken hellen, alsof je neerkijkt op de schuine daken van veel huizen die dicht op elkaar staan."

Naast het documenteren hoe plooien in grafeen de elektronenwolk vervormen, het onderzoeksteam ontdekte dat verontreinigingen die zich tijdens de verwerking aan grafeen hechten, blijven hangen in valleien waar het materiaal ongelijk is. Dergelijke verontreinigingen vervormen op unieke wijze de elektronenwolk, het veranderen van de sterkte waarmee de wolk is gebonden aan de onderliggende atomen.

De ongebruikelijke eigenschappen van grafeen hebben voor opwinding gezorgd in industrieën, waaronder computers, energie en verdediging. Wetenschappers zeggen dat de elektrische geleidbaarheid van grafeen overeenkomt met die van koper, en de thermische geleidbaarheid van grafeen is de beste van alle bekende materialen.

Maar de nieuwe, Door UB geleide studie suggereert dat bedrijven die grafeen willen verwerken in producten zoals geleidende inkten, ultrasnelle transistoren en zonnepanelen zouden baat kunnen hebben bij meer fundamenteel onderzoek naar het nanomateriaal. Verbeterde processen voor het overbrengen van platte vellen grafeen op commerciële producten zouden de efficiëntie van die producten aanzienlijk kunnen verhogen.

"Veel mensen weten hoe ze grafeen moeten kweken, maar het is niet goed begrepen hoe je het op iets kunt overbrengen zonder dat het op zichzelf vouwt, " zei Banerjee. "Het is erg moeilijk om recht en vlak te blijven, en ons werk maakt echt duidelijk waarom dat zo belangrijk is."

"Grafeen wordt heel belangrijk in de elektronica, ", zegt promovendus Brian Schultz, een van de drie UB-afgestudeerde studenten die hoofdauteur waren van de Natuurcommunicatie papier. "Het wordt een van de meest geleidende materialen die ooit zijn gevonden, en het kan worden gebruikt als ultrahoogfrequente transistor of als mogelijke vervanging voor siliciumchips, de ruggengraat van de huidige commerciële elektronica.

"Toen grafeen werd ontdekt, mensen waren gewoon zo opgewonden dat het zo'n goed materiaal was dat mensen er echt mee wilden gaan en zo snel mogelijk wilden rennen, "Vervolgde Schultz. "Maar wat we laten zien, is dat je echt wat fundamenteel onderzoek moet doen voordat je begrijpt hoe je het moet verwerken en hoe je het in de elektronica kunt krijgen."