(Phys.org) —Grafeen, een materiaal dat bestaat uit een rooster van koolstofatomen, een atoom dik, wordt algemeen aangeprezen als het meest elektrisch geleidende materiaal dat ooit is bestudeerd. Echter, niet alle grafeen is hetzelfde. Met zo weinig atomen die het geheel van het materiaal omvatten, de opstelling van elk heeft een impact op zijn algemene functie.

Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania hebben een hypermoderne microscoop gebruikt om de relatie tussen de atomaire geometrie van een lint van grafeen en zijn elektrische eigenschappen te bestuderen.

Een dieper begrip van deze relatie zal nodig zijn voor het ontwerp van op grafeen gebaseerde geïntegreerde schakelingen, computerchips en andere elektronische apparaten.

Het onderzoek werd geleid door professoren A.T. Charlie Johnson en Marija Drndić, beide van de afdeling Natuur- en Sterrenkunde in Penn's School of Arts &Sciences, samen met Zhengqing John Qi, een lid van Johnson's lab, en Julio Rodríguez-Manzo van het laboratorium van Drndic. Gezongen Ju Hong, toen een lid van Johnson's lab, heeft ook meegewerkt aan het onderzoek.

Het Penn-team werkte samen met onderzoekers van het Brookhaven National Laboratory, de Université Catholique de Louvain in België en de Nationale Universiteit van Seoul in Zuid-Korea.

Hun studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters .

De experimenten van het team werden mogelijk gemaakt door Brookhaven's aberratie-gecorrigeerde transmissie-elektronenmicroscoop, of AC-TEM. Door de elektronenstraal van de microscoop te focussen, de onderzoekers waren in staat om platen grafeen controleerbaar te snijden in linten met een breedte van slechts 10 nanometer, terwijl ze verbonden blijven met een elektriciteitsbron buiten de microscoop. Ze zouden dan de nanoscopische resolutie van de AC-TEM kunnen gebruiken om onderscheid te maken tussen individuele koolstofatomen in die linten. Dit precisieniveau was nodig om te bepalen hoe de koolstofatomen aan de randen van de nanolinten waren georiënteerd.

"We relateren de structuur van het grafeen - zijn atomaire rangschikking - aan zijn elektrische transporteigenschappen, " zei Drndić. "In het bijzonder, we keken naar de randen, waarvan we de geometrie konden identificeren."

"Grafeen lijkt op kippengaas, en je kunt dit hexagonale rooster van koolstofatomen op verschillende manieren versnijden, het produceren van verschillende vormen op de rand, "zei ze. "Maar als je het op één manier snijdt, het zou zich meer als een metaal kunnen gedragen, en, als je het op een andere manier snijdt, het zou meer op een halfgeleider kunnen lijken."

Voor elk stuk grafeen, ofwel de puntige of platte zijden van de koolstofzeshoeken kunnen zich aan de rand van het stuk bevinden. Waar de puntige zijden naar buiten wijzen, de rand heeft een "zigzag" patroon. Platte zijkanten produceren een "fauteuil" -patroon wanneer ze zich op een rand bevinden. Elke gegeven rand kan ook een combinatie van de twee vertonen, afhankelijk van hoe het stuk grafeen in eerste instantie werd gesneden en hoe die rand degradeert onder stress.

Omdat de grafeen nanoribbons verbonden waren met een elektriciteitsbron terwijl ze zich in de AC-TEM bevonden, de onderzoekers konden tegelijkertijd de omtrek van de linten volgen en hun geleidbaarheid meten. Hierdoor konden de twee cijfers gecorreleerd worden.

"Als je grafeen nanoribbons wilt gebruiken in computerchips, bijvoorbeeld, u moet deze informatie absoluut hebben, Johnson zei. "Mensen hebben deze linten onder de microscoop bekeken, en mensen hebben hun elektrische eigenschappen gemeten zonder ernaar te kijken, maar nooit beide tegelijk."

Na bestudering van de nanolinten met relatief lage elektronenstroom, de onderzoekers verhoogden de intensiteit, vergelijkbaar met het aanzetten van een gloeilamp met een dimmerschakelaar. De combinatie van het elektronenbombardement van de microscoop en de grote hoeveelheid elektronen die door de nanoribbons stromen, zorgde ervoor dat hun structuren geleidelijk degradeerden. Toen koolstofbindingen in de nanoribbons braken, ze werden dunner en de vorm van hun randen veranderde, het verstrekken van extra datapunten.

"Door alles binnen de microscoop te doen, " Rodríguez-Manzo zei:"we kunnen deze transformatie gewoon tot het einde volgen, het meten van stromen voor de nanolinten, zelfs wanneer ze kleiner worden dan 1 nanometer. Dat is vijf atomen breed."

Dit soort stresstesten is van cruciaal belang voor het toekomstige ontwerp van grafeenelektronica.

"We moeten kijken hoeveel stroom we kunnen transporteren voordat deze nanoribbons uit elkaar vallen. Uit onze gegevens blijkt dat dit cijfer hoog is in vergelijking met koper, " Rodríguez-Manzo saDe barre omstandigheden zorgden er ook voor dat sommige linten zichzelf opvouwden, het produceren van nanoscopische grafeenlussen. Toevallig, het team ontdekte dat deze lussen wenselijke eigenschappen hadden.

"Wanneer de randen zich omwikkelen en de lussen vormen, zien we, "Johnson zei, "het helpt de structuur bij elkaar te houden, en het maakt de stroomdichtheid duizend hoger dan wat momenteel de stand van de techniek is. Die structuur zou nuttig zijn bij het maken van verbindingen [dit zijn de geleidende paden die transistors met elkaar verbinden in geïntegreerde schakelingen]."

Toekomstig onderzoek op dit gebied zal betrekking hebben op het rechtstreeks vergelijken van de elektrische eigenschappen van grafeen nanoribbons met verschillende breedtes en randvormen.

"Zodra we deze nanoribbons atoom voor atoom kunnen knippen, " Drndić zei, "Er zal nog veel meer zijn dat we kunnen bereiken."