Een rode draad van onderzoek in een pan-Europese samenwerking onder leiding van wetenschappers van Aalto University Department of Applied Physics heeft prominente resultaten opgeleverd voor de elektronenmicroscopie van met stikstof gedoteerd grafeen en koolstofnanobuizen.

Een paper gepubliceerd in september in het tijdschrift ACS Nano geeft een gedetailleerde atomistische beschrijving van de door elektronenbundels veroorzaakte schade in deze belangrijke structuren door geavanceerde rekenmethoden te combineren met ultramoderne elektronenmicroscopie.

Toma Susi, postdoctoraal onderzoeker in Aalto University Department of Applied Physics, begon het systeem in 2010 te bestuderen samen met de huidige onderzoeker van de Universiteit van Wenen, Jani Kotakoski.

"Ons werk begon als een toevallige ontmoeting tijdens een workshop postersessie. Ik had vragen die Jani kon beantwoorden door middel van computationele modellering. De samenwerking groeide uiteindelijk uit tot 11 auteurs uit vijf Europese landen, ", vertelt Toma Susi.

Susi en zijn collega's onderzochten hoe de energetische elektronenstralen die in transmissie-elektronenmicroscopen worden gebruikt, op koolstof gebaseerde nanomaterialen beïnvloeden die zijn gedoteerd met stikstofatomen.

"De microscopen werken in principe volgens hetzelfde principe als optische microscopen, maar ze gebruiken elektronengolven in plaats van licht voor de beeldvorming. De materialen zijn interessant omdat ze interessante perspectieven bieden voor nano-elektronica, metaalvrije elektrokatalyse en gasdetectie."

De exacte atomaire binding van de doteermiddelen heeft een grote invloed op de resulterende wijziging van gastheereigenschappen. Recente geavanceerde ontwikkelingen in instrumentatie hebben atoom-voor-atoom analyse en zelfs directe beeldvorming van stikstoflocaties in grafeen mogelijk gemaakt. Echter, omdat elektronen momentum dragen, inelastische botsingen kunnen leiden tot het uitwerpen van atomen uit het doelmateriaal, mogelijk leidend tot verkeerde identificatie van de ongewijzigde doteringsstructuren.

"Het meest opwindende, we konden de uitstoot van koolstofatomen direct naast de doteerstoffen in beeld brengen en nooit de doteerstoffen zelf - precies zoals de simulaties voorspelden, legt Susi uit."

Naast een beter begrip van de bestralingsstabiliteit van deze structuren, de resultaten laten zien dat structurele veranderingen niet kunnen worden verwaarloosd bij karakterisering met behulp van hoogenergetische elektronen. Dit begrip zal in belang toenemen naarmate de apparaten krachtiger worden.

"Ondanks de significante wetenschappelijke resultaten, het verhaal van ons artikel illustreert goed hoe wetenschappelijke samenwerking werkt. Ik gaf een lezing op het vijfde ScienceSLAM Helsinki-evenement over het verhaal van het artikel en volgde een blogpost met een analyse van de 720 e-mails die tussen de co-auteurs werden uitgewisseld. Aangezien het onderzoek niet direct verband hield met een bepaald projectwerk, het laat ook zien waartoe een beetje academische vrijheid en vrij bescheiden middelen op zijn best kunnen leiden. Ik ben onze groepsleider Professor Esko Kauppinen dankbaar voor het ondersteunen van ons werk."