(Phys.org)—Als kleine schepen die een haven vinden in een storm, koolstofatomen koppelen op een voorspelbare manier aan het grotere eiland grafeen. Maar tot recent onderzoek door wetenschappers van Rice University, niemand had de tools om dat soort voorspellingen te doen.

Elektrische stroom schiet dwars door een laag defectvrij grafeen met bijna geen weerstand, een functie die het materiaal zeer aantrekkelijk maakt voor ingenieurs die het zouden gebruiken in zaken als touchscreens en andere elektronica, zei Rice theoretisch fysicus Boris Yakobson. Hij is co-auteur van een nieuw artikel over grafeenvorming dat deze week in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Om precies te onderzoeken wat er op atomair niveau gebeurt, Yakobson en zijn Rice-collega's hebben het nu gebruikelijke proces dat chemische dampafzetting (CVD) wordt genoemd, onder de loep genomen. waarin een in een oven verwarmde koolstofbron wordt blootgesteld aan een metaalkatalysator om grafeen te vormen, een enkel-atoomlaag van zuivere koolstof.

Yakobson, Rice's Karl F. Hasselmann hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en hoogleraar scheikunde, en zijn collega's berekenden de energieën van individuele atomen terwijl ze aangroeien om grafeen te vormen in het "nanoreactor" -dok waar de koolstofdamp en de katalysator elkaar ontmoeten. Met behulp van theorieën die lang zijn toegepast op kristalgroei, zij bepaalden dat, bij evenwicht, sommige patronen van grafeen vormen zich eerder dan andere, afhankelijk van de gebruikte katalysator.

Een probleem was dat de rand van een grafeenvel dicteert hoe - of zelfs als - stroom naar een elektrode kan gaan. Korrelgrenzen - overgangen in de hoeken van de zeshoeken die verschijnen wanneer eilanden van grafeen tijdens de groei samensmelten - kunnen ook elektronen ontsporen. Yakobson zei dat deze randen en grenzen de algehele elektronische vorm van het blad bepalen, mechanische en magnetische eigenschappen, dus het is belangrijk om te weten onder welke omstandigheden grafeen de voorkeur geeft aan randen die eruitzien als zigzaglijnen of fauteuils - of een hoek daartussenin - is belangrijk voor onderzoekers die het materiaal willen laten groeien voor gebruik in elektronische componenten.

Yakobson en zijn co-auteurs, onderzoeksmedewerker Vasilii Artyukhov en afgestudeerde student Yuanyue Liu, putten uit hun kennis van kristalgroei voor hun nanoreactortheorie. Ze presenteren een uitgebreid model van hoe atomen migreren uit de grondstof - meestal een koolstofrijke mist in een CVD-oven (en soms beroemd, een koekje) - naar de katalysator en uiteindelijk naar het grafeenrooster.

"Dankzij de talenten en inspanningen van materiaalchemici, grafeen groeit nu als schimmel op bijna alles, en van bijna elke grondstof, "Zei Yakobson. "Maar hoe het eruit ziet en de vorm die het aanneemt, is moeilijk te begrijpen of te voorspellen.

"Als je een beetje water morst op een flat, horizontale tafel, het zal een kleine plas van ronde vorm vormen, omdat water isotroop is - alle richtingen zijn identiek, en een cirkel heeft de kleinste omtrek en daarom de vorm met de laagste energie, " hij zei.

Maar op nanoschaal koolstofatomen gedragen zich niet altijd als water. "Als koolstof op metaal wordt 'gemorst', dingen worden ingewikkelder, " zei hij. "Verschillende richtingen dicteren verschillende fysieke eigenschappen, en als een resultaat, de vorm van grafeen kan een veelhoek of een ster of een bloem zijn."

Dat klinkt als de manier waarop een kristal groeit, een eigenschap die de onderzoekers niet verloren hebben.

"Ondanks de enorme hoeveelheid onderzoek die over de hele wereld naar grafeen wordt gedaan, tot nu toe heeft bijna niemand grafeensynthese als een kristalgroeiproces behandeld en geprofiteerd van de rijke theoretische toolset die halverwege de 20e eeuw is ontwikkeld voor halfgeleidertechnologie, " zei Artyukhov. "Kristalgroeitheorie is een groot en gevestigd gebied van wetenschap, en er zijn veel meer concepten die kunnen worden toegepast op grafeensynthese dan de eerste stappen die in ons werk zijn beschreven."

De uiteindelijke vorm van grafeen hangt af van het subtiele samenspel van energieën en groeisnelheid. Als water, atomen kiezen de weg van de minste weerstand, en dat pad kan veranderen als gevolg van kleine temperatuurveranderingen en variaties in de koolstofdampdichtheid.

"Aangezien koolstof wordt toegevoegd bij CVD-groei, verschillende kanten gaan vooruit met verschillende snelheden, ' zei Yakobson.

Het team gebruikte dichtheidsfunctionaaltheorie om de vorming van grafeen te berekenen voor alle mogelijke randoriëntaties op verschillende katalysatoren, inclusief nikkel, ijzer, koper en kobalt. Ze ontdekten dat de energieniveaus van atomen in kaart kunnen worden gebracht, stap voor stap, terwijl ze de damp verlaten en zich bij het rooster bij een nanoreactor voegen.

Een laag grafeen begint zich te vormen wanneer de eerste paar koolstofatomen zich aan de katalysator hechten en een kern vormen waarrond atomen zich blijven vestigen. Het grafeen groeit in rijen naarmate er nieuwe atomen worden toegevoegd, maar de rijen hebben geen rechte randen. Sommige hebben een zigzagpatroon, anderen vormen een meer complexe vorm die wetenschappers fauteuil noemen. De vorm van het randpatroon wordt bepaald door het meest efficiënte gebruik van energie. Het Rice-team ontdekte dat zigzagranden aan het begin van een nieuwe rij een hoge energiebarrière hebben, maar de rest van de atomen van de rij vallen snel en gemakkelijk op één lijn. Voor fauteuils, de initiële barrière is kleiner maar blijft hetzelfde voor elk volgend atoom dat aanmeert.

Scheve randen - tussen zigzag en fauteuil - groeien het snelst, omdat ze de kleinste energiebarrière moeten overwinnen om een ​​rij te beginnen of te voltooien, zei Liu. Ook interessant, hij zei, is de bevinding dat koolstofdamp met atoomparen die dimeren worden genoemd, kan leiden tot snellere en kwalitatief betere grafeengroei.

De onderzoekers ontdekten dat de achterblijvende zigzagranden een knelpunt zijn dat, onafhankelijk van het metalen substraat, helpt bij het bepalen van de algehele vorm van een grafeenbloei. Andere kinetische factoren kunnen ook leiden tot variaties die sterren produceren, bloemen of asymmetrische vormen.

De onderzoekers waren verrast toen ze ontdekten dat open-pentagon fauteuilranden het meest waarschijnlijke groeipatroon zijn bij evenwicht op ijzer, kobalt en nikkel, terwijl zigzagranden vooral uitgesproken waren op een koperen katalysator. Ze vonden ook wiskundig bewijs dat bepaalde defecten, waarin vijf- en zeven-atoom veelhoekparen aangrenzende zeshoeken vervangen, zich waarschijnlijk niet vormen, behalve in een vacuüm, een onrealistisch scenario voor grafeengroei. Dat brengt de nieuwe theorie in lijn met het eerdere werk van Yakobson om te laten zien hoe onwaarschijnlijk defecten zich kunnen vormen bij het kweken van koolstofnanobuisjes.

Yakobson zei dat de theorie vooruitgaat op een die de koolstofgroeigemeenschap als canoniek beschouwt - het paradigma van damp-vloeistof-vaste stof - door tot in de kleinste details door te dringen.