(Phys.org) -- Vergelijkbaar met hoe strakkere steken zorgen voor een quilt van betere kwaliteit, de "hechting" tussen individuele kristallen van grafeen beïnvloedt hoe goed deze koolstofmonolagen elektriciteit geleiden en hun sterkte behouden, Dat melden onderzoekers van Cornell.

De kwaliteit van deze "naad" - de grenzen waar grafeenkristallen samengroeien en vellen vormen - is net zo belangrijk als de grootte van de kristallen zelf, waarvan wetenschappers eerder dachten dat het de sleutel was tot het maken van beter grafeen.

De onderzoekers, geleid door Jiwoong Park, assistent-professor scheikunde en chemische biologie en lid van het Kavli Institute in Cornell voor Nanoscale Science, geavanceerde meet- en beeldtechnieken gebruikt om deze beweringen te doen, online gedetailleerd in het tijdschrift Wetenschap 1 juni.

Grafeen is een enkele laag koolstofatomen, en materiaalwetenschappers zijn verwikkeld in een soort wapenwedloop om de verbazingwekkende eigenschappen ervan te manipuleren en te verbeteren -- treksterkte, hoge elektrische geleidbaarheid, en mogelijke toepassingen in fotonica, fotovoltaïsche en elektronica. Cartoons verbeelden grafeen als een perfect atomair kippengaas dat zich tot in het oneindige uitstrekt.

In werkelijkheid, grafeen is polykristallijn; het wordt gekweekt via een proces dat chemische dampafzetting wordt genoemd, waarin kleine kristallen, of granen, willekeurige oriëntaties groeien vanzelf en komen uiteindelijk samen in koolstof-koolstofbindingen.

In eerder werk dat afgelopen januari in Nature werd gepubliceerd, de Cornell-groep had elektronenmicroscopie gebruikt om deze grafeenvellen te vergelijken met patchwork-quilts - elke "patch" vertegenwoordigd door de oriëntatie van de grafeenkorrels (en vals gekleurd om ze mooi te maken).

Zij, samen met andere wetenschappers, vroeg zich af hoe de elektrische eigenschappen van grafeen stand zouden houden op basis van zijn polykristallijne aard. Conventionele wijsheid en enkele eerdere indirecte metingen hadden ertoe geleid dat wetenschappers vermoedden dat het groeien van grafeen met grotere kristallen - minder patches - de eigenschappen ervan zou kunnen verbeteren.

Het nieuwe werk stelt dat dogma in vraag. De groep vergeleek hoe grafeen presteerde op basis van verschillende groeisnelheden via chemische dampafzetting; sommigen groeiden langzamer, en anderen, heel snel. Ze ontdekten dat hoe reactiever, snelgroeiend grafeen, met meer pleisters, op bepaalde manieren presteerde het elektronisch beter dan het langzamer groeiende grafeen met grotere patches.

Zoals later bleek, snellere groei leidde tot strakkere stiksels tussen korrels, die de prestaties van het grafeen verbeterde, in tegenstelling tot grotere korrels die losser bij elkaar werden gehouden.

"Wat hier belangrijk is, is dat we de groeiomgeving moeten bevorderen, zodat de korrels goed aan elkaar hechten, Park zei. "Wat we laten zien is dat de korrelgrenzen een belangrijk punt van zorg waren, maar het kan zijn dat het niet uitmaakt. We merken dat het waarschijnlijk in orde is."

Even belangrijk voor deze waarnemingen waren de complexe technieken die ze gebruikten om de metingen uit te voeren - geen gemakkelijke taak. Een vierstaps lithografieproces met elektronenbundels, ontwikkeld door Adam Tsen, een afgestudeerde student toegepaste natuurkunde en de eerste auteur van het artikel, lieten de onderzoekers elektroden op grafeen plaatsen, direct bovenop een 10 nanometer dik membraansubstraat om elektrische eigenschappen van enkelvoudige korrelgrenzen te meten.

"Onze techniek zet de toon voor hoe we in de toekomst atomair dunne materialen kunnen meten, " voegde Park eraan toe.

Medewerkers onder leiding van David A. Muller, hoogleraar toegepaste en technische fysica en co-directeur van het Kavli Institute bij Cornell voor Nanoscale Science, gebruikte geavanceerde transmissie-elektronenmicroscopietechnieken om de groep van Park te helpen hun grafeen in beeld te brengen om de verschillen in de korrelgroottes te laten zien.

Het werk werd ondersteund door het Air Force Office of Scientific Research, en de National Science Foundation via het Cornell Center for Materials Research. Fabricage werd uitgevoerd bij de Cornell NanoScale Science and Technology Facility.