(Phys.org) —Grafeen, een één atoom dikke koolstoflaag met buitengewone geleidbaarheid en sterkte, belooft veel voor een scala aan toepassingen, maar om zijn potentieel te realiseren, moeten wetenschappers technieken perfectioneren om de eigenschappen ervan af te stemmen. Het kweken van grafeen op zilver in ultrahoog vacuüm kan resulteren in een uitzonderlijk ongerept monster, kansen bieden voor ultrasnelle elektronica en geavanceerde optica, maar de huidige methoden om grafeen op metalen te laten groeien, zijn niet succesvol geweest met zilver.

Onderzoekers van de Northwestern University en het Argonne National Laboratory hebben onlangs deze beperkingen overwonnen, het aantonen van de eerste groei van grafeen op een monokristallijn zilversubstraat. Hun methode zou op grafeen gebaseerde optische apparaten vooruit kunnen helpen en de interfacing van grafeen met andere tweedimensionale materialen mogelijk maken.

De studie is vandaag (15 november) gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Zilver is een veelgebruikt materiaal om optische eigenschappen te verbeteren, " zei Mark Hersam van Northwestern, een co-auteur van het artikel. "Recenter, grafeen is naar voren gekomen als een veelbelovend platform voor optische technologieën. Met onze recente ontwikkeling van een methode om grafeen op zilver te laten groeien, we kunnen nu de beste eigenschappen van zowel grafeen als zilver tegelijkertijd benutten."

Hersam is hoogleraar materiaalkunde en techniek en Bette en Neison Harris leerstoel in Teaching Excellence aan de Northwestern's McCormick School of Engineering and Applied Science en directeur van het Northwestern University Materials Research Center.

Terwijl grafeen conventioneel op een metalen oppervlak wordt gekweekt door koolwaterstoffen bij verhoogde temperaturen katalytisch te ontleden, deze methode is niet effectief voor zilversubstraten omdat de substraten chemisch inert zijn en een relatief laag smeltpunt hebben.

Met behulp van een grafiet-koolstofbron, de onderzoekers van Northwestern en Argonne konden grafeen laten groeien door atomaire koolstof af te zetten, in plaats van een op koolstof gebaseerde moleculaire voorloper, op de ondergrond. De groei omzeilde de behoefte aan een chemisch actief oppervlak en stelde de onderzoekers in staat om grafeengroei bij lagere temperaturen te realiseren.

"Grafeengroei en overdracht naar een verscheidenheid aan substraten heeft grafeen in staat gesteld talloze wetenschappelijke velden te transformeren, " zei Brian Kiraly, een noordwestelijke afgestudeerde student materiaalkunde en techniek die aan het onderzoek werkte met Hersam en Nathan Guisinger, een stafwetenschapper bij Argonne.

"Echter, conventionele technieken leiden tot contaminatieproblemen en zijn niet compatibel met de ultraschone vacuümomgevingen die nodig zijn voor de groei van de nieuwste 2D-materialen, " zei hij. "Door grafeen rechtstreeks op zilver onder vacuüm te laten groeien, we bieden een atomair ongerept oppervlak voor geavanceerde op grafeen gebaseerde technologieën."

De onderzoekers ontdekten ook dat het grafeen dat ze groeiden elektronisch was ontkoppeld van het onderliggende zilversubstraat. waardoor de intrinsieke eigenschappen van grafeen direct op het groeisubstraat kunnen worden bestudeerd en benut; deze eigenschap is niet eerder waargenomen met grafeen dat op andere metalen is gegroeid. De onderzoekers observeerden unieke golfachtige elektronenverstrooiing aan de randen van grafeen die voorheen alleen op isolerende substraten waren waargenomen.

Recent werk aan de integratie van grafeen met andere 2D-materialen - een stap die van vitaal belang is voor de ontwikkeling van op grafeen gebaseerde circuits en andere technologieën - heeft zowel verbeteringen van de eigenschappen van grafeen als de opkomst van nieuwe eigenschappen opgeleverd die verschillen van geïsoleerd grafeen. De ontwikkeling van grafeen op zilver stelt onderzoekers in staat om grafeeninterfaces met een nieuw 2D-materiaal te onderzoeken, siliceen, die bijna uitsluitend op zilver wordt verbouwd.