(Phys.org) -- Wetenschappers en ingenieurs van de Universiteit van Wisconsin-Milwaukee (UWM) hebben een geheel nieuw op koolstof gebaseerd materiaal ontdekt dat is gesynthetiseerd uit het 'wonderkind' van de koolstoffamilie, grafeen. De vondst, die de onderzoekers “grafeenmonoxide (GMO), ” duwt koolstofmaterialen dichter bij het inluiden van de volgende generatie elektronica.

grafeen, een één atoom dikke laag koolstof die op nanoschaal lijkt op een plat vel kippengaas, heeft het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de elektronica omdat het elektriciteit veel beter geleidt dan de goud- en koperdraden die in de huidige apparaten worden gebruikt. Transistors gemaakt van silicium naderen de minimale grootte waarop ze effectief kunnen zijn, wat betekent dat de snelheid van apparaten snel zal dalen. Koolstofmaterialen op nanoschaal zouden de remedie kunnen zijn.

Momenteel, toepassingen voor grafeen zijn beperkt omdat het te duur is om massaal te produceren. Een ander probleem is dat, tot nu, grafeen-gerelateerde materialen bestonden alleen als geleiders of isolatoren.

“Een belangrijke drijfveer in de grafeenonderzoeksgemeenschap is om het materiaal halfgeleidend te maken, zodat het kan worden gebruikt in elektronische toepassingen, " zegt Junhong Chen, hoogleraar werktuigbouwkunde en lid van het onderzoeksteam. "Onze belangrijkste bijdrage in deze studie werd bereikt door een chemische modificatie van grafeen."

GGO vertoont eigenschappen die het opschalen makkelijker maken dan grafeen. En, zoals silicium in de huidige generatie elektronica, GGO is halfgeleidend, nodig voor het regelen van de elektrische stroom in zo'n sterke geleider als grafeen. Nu alle drie de kenmerken van elektrische geleidbaarheid - geleidend, isolerend en halfgeleidend - komen voor in de koolstoffamilie, biedt de benodigde compatibiliteit voor gebruik in toekomstige elektronica.

Theorie en experimenten combineren

Het team creëerde GGO terwijl het onderzoek deed naar het gedrag van een hybride nanomateriaal ontwikkeld door Chen dat bestaat uit koolstofnanobuisjes (in wezen, grafeen gerold in een cilinder) versierd met tinoxide nanodeeltjes. Chen gebruikt zijn hybride materiaal om hoogwaardige, energiezuinige en goedkope sensoren.

Om het hybride materiaal in beeld te brengen zoals het aanvoelde, hij en natuurkundeprofessor Marija Gajdardziska gebruikten een transmissie-elektronenmicroscoop met hoge resolutie (HRTEM). Maar om uit te leggen wat er aan de hand was, het paar moest weten welke moleculen zich aan het oppervlak van de nanobuis hechtten, die zich hechtten aan het tinoxide-oppervlak, en hoe ze veranderden bij hechting.

Dus het paar wendde zich tot professor natuurkunde Carol Hirschmugl, die onlangs een pionier was in een methode voor infraroodbeeldvorming (IR) die niet alleen high-definition beelden van monsters biedt, maar geeft ook een chemische "handtekening" weer die identificeert welke atomen op elkaar inwerken als waarneming plaatsvindt.

Chen en Gajdardziska wisten dat ze naar meer aanhechtingsplaatsen moesten kijken dan beschikbaar zijn op het oppervlak van een koolstofnanobuisje. Dus "rolden" ze de nanobuis uit tot een vel grafeen om een ​​groter gebied te bereiken.

Dat bracht hen ertoe op zoek te gaan naar manieren om grafeen te maken van zijn neef, grafeenoxide (GO), een isolator die goedkoop kan worden opgeschaald. GO bestaat uit lagen grafeen die op elkaar zijn gestapeld in een niet-uitgelijnde oriëntatie. Het is het onderwerp van veel onderzoek, omdat wetenschappers op zoek zijn naar goedkopere manieren om de superieure eigenschappen van grafeen te repliceren.

Raadselachtige uitkomst

In een experiment, ze verwarmden de GO in een vacuüm om zuurstof te verminderen. In plaats van vernietigd te worden, echter, de koolstof- en zuurstofatomen in de lagen van GO werden uitgelijnd, transformeren zichzelf in de “geordende, ” halfgeleidende GGO – een koolstofoxide dat niet in de natuur voorkomt.

Het was niet het resultaat dat ze hadden verwacht.

"We dachten dat de zuurstof zou verdwijnen en meerlagig grafeen zou achterlaten, dus de waarneming van iets anders dan dat was een verrassing, ", zegt Eric Mattson, een doctoraatsstudent van Hirschmugl.

Bij verschillende hoge temperaturen, het team produceerde in feite vier nieuwe materialen die ze gezamenlijk GGO noemen. Ze maakten video van het proces met behulp van Selected Area Electron Diffraction (SAED) in een transmissie-elektronenmicroscoop.

Omdat GGO in losse vellen wordt gevormd, Gajdardziska zegt dat het materiaal toepassingen kan hebben in producten die oppervlaktekatalyse omvatten. Ze, Hirschmugl en Chen onderzoeken ook het gebruik ervan in de anodedelen van lithium-ionbatterijen, waardoor ze efficiënter kunnen worden.

moeizaam proces

Maar de volgende stap is meer wetenschap. Het team zal moeten uitzoeken wat de aanleiding was voor de reorganisatie van het materiaal, en ook welke omstandigheden de vorming van het GGO zouden ruïneren.

“In het reductieproces je verwacht zuurstof te verliezen, ", zegt Michael Weinert, hoogleraar natuurkunde en directeur van UWM's Laboratory for Surface Studies. “Maar we hebben eigenlijk meer zuurstof gekregen. We zijn dus op een punt beland waarop we er nog steeds meer over leren.”

Weinert wijst erop dat ze alleen op kleine schaal ggo hebben gemaakt in een lab en niet zeker weten wat ze zullen tegenkomen bij opschaling.

Het team moest voorzichtig zijn bij het berekenen hoe elektronen door GGO's stroomden, hij voegt toe. Interacties die zich voordeden, moesten worden geïnterpreteerd door middel van een nauwgezet proces van het volgen van structuurindicatoren en het elimineren van degenen die niet pasten.

“Het was een lang proces, " zegt Weinert, "niet een van die 'Eureka!'-momenten."