Verre van een gebrek, een kronkelende draad van oneven ringen aan de rand van twee vellen grafeen heeft eigenschappen die waardevol kunnen zijn voor fabrikanten, volgens wetenschappers van Rice University.

grafeen, de atoomdikke vorm van koolstof, verschijnt zelden als een perfect rooster van kippengaasachtige ringen met zes atomen. Wanneer gekweekt via chemische dampafzetting, het bestaat meestal uit "domeinen, " of afzonderlijk gekweekte vellen die naar buiten bloeien van hete katalysatoren totdat ze elkaar ontmoeten.

Waar ze elkaar ontmoeten, de reguliere rijen atomen zijn niet noodzakelijk uitgelijnd, dus moeten ze zich aanpassen als ze een continu grafeenvlak willen vormen. Die aanpassing verschijnt als een korrelgrens, met onregelmatige rijen van ringen van vijf en zeven atomen die het hoekverschil compenseren.

Het Rice-lab van theoretisch fysicus Boris Yakobson had berekend dat ringen met zeven koolstofatomen zwakke plekken kunnen zijn die de legendarische sterkte van grafeen verminderen. Maar nieuw onderzoek bij Rice toont aan dat meanderende korrelgrenzen kunnen, in sommige gevallen, taai wat bekend staat als polykristallijne platen, bijna even sterk als ongerept grafeen.

handig, ze kunnen ook een "aanzienlijke elektronische transportkloof creëren, " of bandkloof, volgens het papier. Perfect grafeen zorgt voor ballistisch transport van elektriciteit, maar elektronica vereist materialen die de stroom controleerbaar kunnen stoppen en starten. Deze staan ​​bekend als halfgeleiders, en het vermogen om halfgeleidende eigenschappen in grafeen (en andere tweedimensionale materialen) te beheersen, is een veelgevraagd doel.

In het nieuwe werk die verschijnt in Geavanceerde functionele materialen , Yakobson en zijn team onder leiding van postdoctoraal onderzoeker Zhuhua Zhang hebben vastgesteld dat onder bepaalde hoeken, deze "bochtige" grenzen verlichten stress die anders het vel zou verzwakken.

"Als stress langs de grens zou worden verlicht, de sterkte van het grafeen zou worden verbeterd, "Zei Zhang. "Maar dit geldt alleen voor bochtige korrelgrenzen in vergelijking met rechte grenzen."

Yakobson en zijn team berekenen de mechanische sterkte van korrelgrenzen om te bepalen hoe ze elkaar beïnvloeden:waar de grenzen geneigd zijn te binden en waar ze waarschijnlijk zullen breken onder trekspanning. Korrelgrenzen kunnen de interface-energie tussen platen minimaliseren door paren ringen te vormen die dislocaties worden genoemd, waarbij een atoom verschuift van de ene ring met zes leden naar zijn buur om verbonden eenheden van vijf en zeven atomen te vormen.

Soms dicteren de hoeken van de domeinen kronkelende in plaats van rechte grenzen. Zhang en zijn co-auteurs simuleerden deze kronkelige grenzen om hun treksterkte en bandafstand-eigenschappen te meten. Hij stelde vast dat waar deze kleine secties periodiek zijn, dat wil zeggen, wanneer hun patronen zich herhalen langs de lengte van de grens - hun eigenschappen zijn van toepassing op de gehele polykristallijne plaat.

Opmerkelijk, een van zijn simulaties van energetisch "geprefereerde" bochtige korrelgrenzen was een bijna perfecte match voor de asymmetrische grens die hij zag in een artikel uit 2011 in het tijdschrift Nature. Het scanning-transmissie-elektronenmicroscopiebeeld toonde een atomaire korrelgrensstructuur met een zeer vergelijkbare opstelling van dislocaties. Slechts één paar ringen van de honderd in zicht was niet op zijn plaats, waarschijnlijk als gevolg van een vervorming veroorzaakt door bestraling van de elektronenbundel van de microscoop, zei Zhang.

Om te profiteren van de voorspellingen van het Rice lab, wetenschappers zouden moeten uitzoeken hoe polykristallijn grafeen kan groeien met een precieze verkeerde uitlijning van de componenten. Dit is een hele opdracht, zei Yakobson.

"Maar dit - tot nu toe, hypothetisch kan worden bereikt als grafeen kiemt op het polykristallijne metalen substraat met voorgeschreven korreloriëntaties, zodat de opkomende koolstofeilanden de verkeerde uitlijning van de onderliggende sjabloon erven, ' zei Yakobson.