Onderzoek van het Nationaal Fysisch Laboratorium (NPL), Royal Holloway, Universiteit van Londen, en de Universiteit van Linköping, Zweden, heeft een belangrijke stap gezet in de richting van standaardisatie van belangrijke elektrische parameters van grafeen, zoals oppervlaktepotentiaal en werkfunctie. De ontluikende grafeenindustrie vereist deze gestandaardiseerde metingen, zodat de eigenschappen van grafeen goed genoeg worden begrepen om op grote schaal te worden gebruikt in commerciële elektronische apparaten.

Oppervlaktepotentiaal- en werkfunctiemetingen kunnen worden gebruikt voor het definiëren van lokale (tot op nanoschaal) elektrische eigenschappen van enkellaags en dubbellaags grafeen. Dit is belangrijk omdat, terwijl de huidige productietechnieken vellen van 95% enkellaags grafeen kunnen produceren, zelfs kleine hoeveelheden dubbellaags grafeen in een monster kunnen de elektrische kenmerken veranderen en de prestaties van apparaten beïnvloeden.

Momenteel, de numerieke waarden die met veelgebruikte technieken worden verkregen, kunnen aanzienlijk variëren en zijn niet betrouwbaar genoeg om nauwkeurige vergelijkingen te maken. Hoewel substraat- en omgevingsomstandigheden de resultaten kunnen beïnvloeden, er zijn ook specifieke instrumentele problemen die worden veroorzaakt door het gebruik van verschillende meetmethoden.

Dit nieuwe onderzoek gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , het open access tijdschrift van Nature Publishing Group, vergelijkt de nauwkeurigheid en resolutie van drie veelgebruikte meettechnieken:frequentiegemoduleerde Kelvin-probekrachtmicroscopie (FM-KPFM); amplitude-gemoduleerde Kelvin-probekrachtmicroscopie (AM-KPFM); en elektrostatische krachtspectroscopie (EFS). De resultaten tonen aan dat frequentiegemoduleerde technieken zoals FM-KPFM en EFS nauwkeurigere resultaten geven van de oppervlaktepotentiaal, evenals een hogere ruimtelijke resolutie, dan de veelgebruikte amplitudegemoduleerde KPFM.

Olga Kazakova, die het werk bij NPL leidde, zei:

"We hebben aangetoond dat er significante verschillen zijn in de nauwkeurigheid en resolutie van de meest gebruikte technieken voor het doen van deze metingen. Dit betekent dat een laboratorium dat een frequentiegemoduleerde techniek gebruikt, andere waarden zal krijgen dan een ander laboratorium dat een amplitudegemoduleerde techniek gebruikt, bijvoorbeeld. Dit maakt het moeilijk om vertrouwen te hebben in de waarden en de kenmerken van grafeen te definiëren."

Het artikel presenteert vervolgens een route naar de standaardisatie van grafeenmetingen die zijn uitgevoerd in omgevingscondities, in plaats van in vacuüm, aangezien deze omstandigheden meer representatief zijn voor de omgevingen die worden aangetroffen in algemene onderzoekslaboratoria en de industrie. Bijvoorbeeld, voor de bestudeerde apparaten zijn de verkregen werkfunctiewaarden 4,55 ± 0,02 eV en 4,44 ± 0,02 eV voor enkellaags en dubbellaags grafeen, respectievelijk. Opgemerkt moet worden dat deze waarden niet absoluut zijn en afhankelijk zijn van een aantal intrinsieke en extrinsieke parameters. Echter, de voorgestelde methode maakt het mogelijk om variabele omgevingscondities en dopingvariaties in rekening te brengen en biedt de nauwkeurige meting van het grafeenoppervlaktepotentieel, werkfunctie en dragerconcentratie.

De resultaten zullen het vermogen van wetenschap en industrie verbeteren om de kenmerken van grafeen kwantitatief en met meer vertrouwen uit te drukken. De voorgestelde gestandaardiseerde techniek kan ook worden gebruikt voor veel andere elektronische materialen zoals halfgeleiders en fotovoltaïsche, zorgen voor een impact, niet alleen op de grafeenindustrie, maar ook in de wijdere wereld van elektronica.

Het artikel is getiteld "Standaardisatie van oppervlaktepotentiaalmetingen van grafeendomeinen."