(Phys.org)—Sinds de ontdekking in 2004, grafeen is geprezen als een "wondermateriaal" vanwege zijn bijna ongelooflijke eigenschappen. Slechts één atoom dik, een enkele tweedimensionale laag is sterker dan diamant, geleidt elektriciteit beter dan koper, en geleidt warmte beter dan enig ander bekend materiaal. Het zeshoekige honingraatrooster waaruit het materiaal bestaat, zorgt voor extreme flexibiliteit, maar zorgt ook voor het meest ondoordringbare materiaal dat ooit is gevonden, zelfs de kleinste heliumatomen buitensluiten.

En wanneer vellen grafeen worden gestapeld, het resulterende "paarlaags grafeen" kan zowel als een halfmetaal of als een halfgeleider fungeren, afhankelijk van de volgorde en dikte van de lagen.

Studies naar de effecten van stapelvolgorde op grafeen staan ​​nog in de kinderschoenen, maar recente experimenten van wetenschappers van de National Synchrotron Light Source in het Brookhaven National Laboratory hebben licht geworpen op de kameleontische aard van dit materiaal.

Een team van wetenschappers, onder leiding van Tony Heinz van de Columbia University, vergeleek infraroodabsorptie van grafeenmonsters met een paar lagen die op twee manieren waren gestapeld:een zigzag ABA-patroon genaamd Bernal-stapeling, waarin op elkaar afgestemde boven- en onderlagen een derde laag sandwichen die wordt gecompenseerd door de lengte van een atoom; en een rhomboëdrisch ABC-patroon waarbij de bovenste laag nog een atoomlengte verwijderd is van de middelste laag grafeen.

Deze kleine verschuiving in de bovenste laag grafeen is voldoende om de basiseigenschappen van het materiaal te veranderen. Het team ontdekte dat het herschikken van de lagen in een ABC-stapelvolgorde de hoeveelheid infraroodlicht die het enkele laags grafeen absorbeert in selectieve golflengtebereiken drastisch verhoogt. Het is een beetje alsof je Legoblokken in verschillende patronen rangschikt en ontdekt dat ze daardoor van kleur veranderen.

Dit komt omdat veranderingen in de stapelvolgorde de hoeveelheid beschikbare toestanden voor elektronen veranderen, zowel in rust als wanneer ze worden geëxciteerd na het absorberen van infrarood licht. Het team ontdekte ook dat fononen - de mechanische trillingen van de koolstofatomen die elk grafeenvel vormen - ook worden beïnvloed door de stapelopstelling vanwege hun sterke verbinding met de elektronische excitaties. Wanneer de elektronische absorptie groeit, de fononabsorptie groeit ook.

Met behulp van NSLS, ze waren in staat om nauwkeurig de hoeveelheid infrarood licht te meten die deze verschillend gestapelde monsters absorbeerden. "De grafeenmonsters met weinig lagen die we hebben bestudeerd, zijn allemaal erg klein, zo klein als tien micrometer groot, "Zei de fysicus Zhiqiang Li van de Columbia University. "De synchrotronstraling is van cruciaal belang voor onze metingen omdat deze een zeer hoge intensiteit heeft en kan worden gefocust op een kleine plek op onze monsters, waarmee infraroodmetingen met een goede signaal-ruisverhouding mogelijk zijn."

Li zei dat verdere verkenningen naar de flexibele en controleerbare eigenschappen van grafeen kunnen leiden tot een breed scala aan toepassingen in elektronica en fotonica, zoals zonnepanelen of fotodetectoren.

Het onderzoek is uitgevoerd door wetenschappers van de Columbia University, de Spaanse Nationale Onderzoeksraad, de Nationale Onderzoeksraad van Italië, Sapienza-universiteit, Case Western Reserve Universiteit, en Brookhaven National Laboratory.