(Phys.org) - Elektronenmicroscopie van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy biedt ongekende beelden van de individuele atomen in grafeen, biedt wetenschappers een kans om het volledige potentieel van het materiaal te ontsluiten voor toepassingen van motorverbranding tot consumentenelektronica.

Grafeenkristallen werden voor het eerst geïsoleerd in 2004. Ze zijn tweedimensionaal (een atoom dik), harder dan diamanten en veel sterker dan staal, ongekende stijfheid, elektrische en thermische eigenschappen. Door de atomaire en bindingsconfiguraties van individuele grafeenatomen te bekijken, wetenschappers kunnen manieren voorstellen om materialen te optimaliseren, zodat ze beter geschikt zijn voor specifieke toepassingen.

In een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , een team van onderzoekers van Oak Ridge National Laboratory en Vanderbilt University gebruikte aberratie-gecorrigeerde scanning transmissie-elektronenmicroscopie om de atomaire en elektronische structuur van siliciumonzuiverheden in grafeen te bestuderen.

"We hebben nieuwe experimentele en computationele hulpmiddelen gebruikt om de bindingskenmerken van individuele onzuiverheden in grafeen te onthullen. we kunnen nu onderscheid maken tussen een niet-koolstofatoom dat tweedimensionaal of driedimensionaal is gebonden in grafeen. In feite, we waren eindelijk in staat om direct een bindingsconfiguratie te visualiseren die in de jaren dertig was voorspeld maar nooit experimenteel is waargenomen, ", zegt ORNL-onderzoeker Juan-Carlos Idrobo.

Elektronen in een baan rond een atoom vallen in vier brede categorieën - s, P, d en f - gebaseerd op factoren zoals symmetrie en energieniveaus.

"We hebben waargenomen dat de d-toestanden van silicium alleen deelnemen aan de binding als het silicium tweedimensionaal is gecoördineerd, " zei Idrobo. "Er zijn veel elementen zoals chroom, ijzer, en koper waar de d-toestanden of d-elektronen een dominante rol spelen bij het bepalen hoe het element zich in een materiaal bindt."

Door de atomaire en elektronische structuur van grafeen te bestuderen en eventuele onzuiverheden te identificeren, onderzoekers kunnen beter voorspellen welke elementaire toevoegingen de prestaties van het materiaal zullen verbeteren.

Door de chemische samenstelling van grafeen enigszins te wijzigen, kan het materiaal worden aangepast, waardoor het meer geschikt is voor een verscheidenheid aan toepassingen. Bijvoorbeeld, één elementaire toevoeging kan het materiaal een betere vervanging maken voor de platinakatalysatoren in auto's, terwijl een ander het beter kan laten functioneren in elektronische apparaten of als een membraan.

Grafeen heeft het potentieel om de interne werking van elektronische gadgets die mensen dagelijks gebruiken te vervangen vanwege het vermogen om warmte en elektriciteit te geleiden en de optische transparantie. Het biedt een goedkoper en overvloediger alternatief voor indium, een beperkte hulpbron die veel wordt gebruikt in de transparante geleidende coating die aanwezig is in bijna alle elektronische weergaveapparaten zoals digitale displays in auto's, tv's, laptops en draagbare gadgets zoals mobiele telefoons, tablets en muziekspelers.

Onderzoekers verwachten dat de beeldvormingstechnieken die bij ORNL zijn gedemonstreerd, worden gebruikt om de atomaire structuren en bindingskenmerken van atomen in andere tweedimensionale materialen te begrijpen, te.