Grafeen kan taai zijn, maar degenen die ermee omgaan, kunnen maar beter teder zijn. De omgeving rond het atoomdikke koolstofmateriaal kan de elektronische prestaties beïnvloeden, volgens onderzoekers van de universiteiten van Rice en Osaka die een eenvoudige manier hebben bedacht om verontreinigingen op te sporen.

Omdat het zo gemakkelijk is om per ongeluk onzuiverheden in grafeen te introduceren, laboratoria onder leiding van natuurkundigen Junichiro Kono van Rice en Masayoshi Tonouchi van Osaka's Institute of Laser Engineering ontdekten een manier om moleculen die niet op hun plaats zitten op het oppervlak te detecteren en te identificeren door middel van terahertz-spectroscopie.

Ze verwachten dat de bevinding belangrijk zal zijn voor fabrikanten die het gebruik van grafeen in elektronische apparaten overwegen.

Het onderzoek is deze week gepubliceerd door Nature's open access online tijdschrift Wetenschappelijke rapporten . Het werd mogelijk gemaakt door het op Rice gebaseerde NanoJapan-programma, waarmee Amerikaanse studenten zomeronderzoeksstages uitvoeren in Japanse laboratoria.

Zelfs een enkele molecule van een vreemde stof kan grafeen genoeg vervuilen om de elektrische en optische eigenschappen te beïnvloeden, zei Kono. Helaas (en misschien ironisch genoeg), inclusief elektrische contacten.

"Traditioneel, om geleidbaarheid in een materiaal te meten, men moet contacten aansluiten en vervolgens elektrische metingen doen, " zei Kono, wiens lab gespecialiseerd is in terahertz-onderzoek. "Maar onze werkwijze is contactloos."

Dat is mogelijk omdat de verbinding indiumfosfide terahertz-golven uitzendt wanneer ze worden opgewonden. De onderzoekers gebruikten het als substraat voor grafeen. Door het gecombineerde materiaal te raken met femtoseconde-pulsen van een nabij-infraroodlaser, bracht het indiumfosfide terahertz terug door het grafeen. Onvolkomenheden zo klein als een verdwaald zuurstofmolecuul op het grafeen werden opgepikt door een spectrometer.

"De verandering in het terahertz-signaal als gevolg van adsorptie van moleculen is opmerkelijk, " Zei Kono. "Niet alleen de intensiteit, maar ook de golfvorm van uitgezonden terahertzstraling verandert totaal en dynamisch als reactie op moleculaire adsorptie en desorptie. De volgende stap is om de ultieme gevoeligheid van deze unieke techniek voor gasdetectie te onderzoeken."

De techniek kan zowel de locaties van verontreinigende moleculen als veranderingen in de tijd meten. "De laser verwijdert geleidelijk zuurstofmoleculen uit het grafeen, de dichtheid veranderen, en dat kunnen we zien, ' zei Kono.

Het experiment omvatte het kweken van ongerept grafeen via chemische dampafzetting en het overbrengen ervan naar een indiumfosfidesubstraat. Laserpulsen genereerden coherente uitbarstingen van terahertz-straling door een ingebouwd elektrisch oppervlakteveld van het indiumfosfidesubstraat dat veranderde als gevolg van ladingsoverdracht tussen het grafeen en de verontreinigende moleculen. De terahertzgolf, wanneer gevisualiseerd, weerspiegelde de verandering.

De experimentele resultaten zijn een waarschuwing voor elektronicafabrikanten. "Voor toekomstige apparaatontwerpen die grafeen gebruiken, we moeten rekening houden met de invloed van de omgeving, " zei Kono. Grafeen in een vacuüm of ingeklemd tussen niet-verontreinigende lagen zou waarschijnlijk stabiel zijn, maar blootstelling aan lucht zou het besmetten, hij zei.

De laboratoria van Rice en Osaka blijven samenwerken aan een project om de terahertz-geleidbaarheid van grafeen op verschillende substraten te meten, hij zei.