Vanwege zijn intrigerende eigenschappen zou grafeen het ideale materiaal kunnen zijn voor het bouwen van nieuwe soorten elektronische apparaten zoals sensoren, schermen, of zelfs kwantumcomputers.

Een van de sleutels tot het benutten van het potentieel van grafeen is het kunnen creëren van defecten op atomaire schaal - waar koolstofatomen in zijn platte, honingraatachtige structuur worden herschikt of 'knock-out' - omdat deze de elektrische, chemisch, magnetisch, en mechanische eigenschappen.

Een team onder leiding van wetenschappers van de Universiteit van Oxford rapporteert in Natuurcommunicatie een nieuwe benadering van een nieuwe benadering van het ontwerpen van de atomaire structuur van grafeen met ongekende precisie.

'De huidige benaderingen voor het produceren van defecten in grafeen zijn ofwel als een 'jachtgeweer' waarbij het hele monster wordt besproeid met hoogenergetische ionen of elektronen om wijdverbreide defecten te veroorzaken, of een chemische benadering waarbij veel gebieden van het grafeen chemisch reageren, ' zei Jamie Warner van de afdeling Materialen van de Universiteit van Oxford, een lid van het team.

'Beide methoden missen enige vorm van controle in termen van ruimtelijke precisie en ook het defecttype, maar tot op heden zijn de enige gerapporteerde methoden bekend voor het creëren van defecten.'

De nieuwe methode vervangt het 'shotgun' door iets dat meer lijkt op een sluipschuttersgeweer:een minutieus gecontroleerde elektronenstraal die wordt afgevuurd vanuit een elektronenmicroscoop.

'De shotgun-benadering is beperkt tot precisie op micronschaal, dat is ongeveer een oppervlakte van 10, 000, 000 vierkante nanometer, we hebben een precisie aangetoond tot op 100 vierkante nanometer, wat ongeveer vier ordes van grootte beter is, ' legt Alex Robertson van de afdeling Materialen van de Universiteit van Oxford uit, een ander lid van het team.

Toch gaat het niet alleen om de nauwkeurigheid van een enkele 'shot'; de onderzoekers laten ook zien dat door de tijdsduur dat grafeen wordt blootgesteld aan hun gefocuste elektronenbundel te regelen, ze de grootte en het type defect kunnen regelen.

'Onze studie onthult voor het eerst dat slechts een paar soorten defecten echt stabiel zijn in grafeen, met verschillende defecten die worden gedoofd door oppervlakte-atomen of ontspannen terug naar ongerept door bindingsrotaties, ' Zegt Jamie tegen me.

Het vermogen om precies de juiste soort stabiele defecten in de kristalstructuur van grafeen te creëren, zal van vitaal belang zijn als de eigenschappen ervan moeten worden benut voor toepassingen zoals mobiele telefoons en flexibele beeldschermen.

'Defecte plekken in grafeen zijn veel chemisch reactiever, zodat we defecten kunnen gebruiken als een locatie voor chemische functionalisering van het grafeen. Dus we kunnen bepaalde moleculen aan elkaar hechten, zoals biomoleculen, naar het grafeen om als sensor te fungeren, ' Zegt Alex me.

'Defecten in grafeen kunnen ook aanleiding geven tot gelokaliseerde elektronenspin, een attribuut dat in de toekomst belangrijk wordt gebruikt in kwantumnanotechnologie en kwantumcomputers.'

Op dit moment is het nog ver weg om de techniek van het team op te schalen naar een productieproces om op grafeen gebaseerde technologieën te creëren. Momenteel zijn elektronenmicroscopen de enige systemen die de noodzakelijke voortreffelijke controle van een elektronenbundel kunnen bereiken.

Maar, Alex zegt, het is altijd mogelijk dat in de toekomst een schaalbare techniek van het type elektronenstraallithografie wordt ontwikkeld die defectpatronen in grafeen mogelijk zou kunnen maken.

En het is de moeite waard om te onthouden dat het nog niet zo lang geleden was dat de technologie die nodig was om miljoenen transistors op een klein stukje silicium te etsen een onmogelijke droom leek.