Wat onder de groeiende eilanden van grafeen ligt, is belangrijk voor zijn eigenschappen, volgens een nieuwe studie onder leiding van Rice University.

Wetenschappers van Rice analyseerden patronen van grafeen - een enkel atoom dik vel koolstof - dat in een oven was gegroeid via chemische dampafzetting. Ze ontdekten dat de geometrische relatie tussen grafeen en het substraat, het onderliggende materiaal waarop koolstof atoom voor atoom assembleert, bepaalt hoe de eilandvormen ontstaan.

De studie onder leiding van Rice theoretisch fysicus Boris Yakobson en postdoctoraal onderzoeker Vasilii Artyukhov laat zien hoe de kristallijne rangschikking van atomen in substraten die gewoonlijk worden gebruikt bij grafeengroei, zoals nikkel of koper, bepaalt hoe eilanden worden gevormd. De resultaten verschenen vandaag in Fysieke beoordelingsbrieven .

"Experimenten die de verbazingwekkende elektronische eigenschappen van grafeen aantonen, worden meestal gedaan op mechanisch geëxfolieerd grafeen, " zei Artyukhov. "Dat beperkt je in termen van de vlokgrootte, en het is duur als je veel materiaal nodig hebt. Dus iedereen probeert een betere manier te bedenken om het te laten groeien uit gassen zoals methaan (de bron van koolstofatomen) met verschillende substraatmetalen. Het probleem is, de resulterende kristallen zien er verschillend uit van substraat tot substraat, ook al is het allemaal grafeen."

Yakobson zei dat onderzoekers vaak vreemd gevormde grafeeneilanden zien die zijn gegroeid door chemische dampafzetting, "en we hebben ons allemaal afgevraagd waarom. In het algemeen, dit is zeer verrassend, omdat in grafeen, de zes zijden moeten identiek zijn." Driehoeken en andere vormen, hij zei, zijn voorbeelden van symmetriebreking; systemen die anders regelmatige vormen zouden produceren "breken" en produceren minder regelmatige.

Grafeen vormt zich in een oven voor chemische dampafzetting wanneer koolstofatomen die in de hete mist drijven, neerslaan op het metalen substraat. De atomen verbinden zich in karakteristieke zeskantige ringen, maar als een eiland groeit, zijn algemene vorm kan verschillende vormen aannemen, van zeshoeken tot langwerpige zeshoeken tot meer willekeurige structuren, zelfs driehoeken. De onderzoekers vonden een sterke correlatie tussen de uiteindelijke vorm van het eiland en de rangschikking van atomen in het blootgestelde oppervlak van het substraat, die driehoekig kan zijn, vierkant, rechthoekig of anderszins.

De onderzoekers ontdekten dat individuele atomen de routekaart van het substraat volgen, zoals geïllustreerd door een microscoopbeeld van twee korrels kopersubstraat die twee verschillende vormen van grafeen bevatten, ook al zijn de groeiomstandigheden identiek. Op één korrel, de grafeeneilanden zijn allemaal bijna perfecte zeshoeken; op de andere, de zeshoekige eilanden zijn langwerpig en uitgelijnd.

"De afbeelding laat zien dat de basisgroeimechanismen hetzelfde zijn, maar het verschil in de eilanden is te wijten aan de subtiele verschillen tussen de kristallografische oppervlakken van grafeen en koper, ' zei Yakobson.

Omdat de randen van grafeen zo belangrijk zijn voor de elektronische eigenschappen, elke stap om de groei ervan te begrijpen is belangrijk, hij zei. Of een grafeenrand eindigt als een zigzag, een fauteuil of iets daar tussenin hangt af van hoe individuele atomen in evenwicht raken als ze de energieën balanceren tussen hun naburige koolstofatomen en die van het substraat.

De atomen in metalen vormen een specifieke rangschikking, een kristalrooster, zoals een puur koperen rooster genaamd 'face-centered cubic'. Maar individuele korrels kunnen verschillende oppervlakken hebben in polykristallijn materiaal, zoals koperfolies die vaak worden gebruikt als grafeengroeisubstraten.

"Afhankelijk van de manier waarop je een kubus doormidden snijdt, je kunt eindigen met vierkant, rechthoekige of zelfs driehoekige vlakken, " zei Artyukhov. "Het oppervlak van koperfolie kan op verschillende plaatsen verschillende texturen hebben. Elektronenmicroscopie toonde aan dat alle grafeeneilanden die op dezelfde koperkorrel groeien, een vergelijkbare vorm hebben, bijvoorbeeld, alle perfecte zeshoeken, of allemaal langwerpig."

Hij zei dat de eilanden de symmetrie van de oppervlakken van de korrels erven en sneller groeien in sommige richtingen, wat de eigenaardige verdeling van vormen verklaart.

Als het groeiproces lang genoeg is, de eilanden versmelten tot grotere grafeenfilms. Waar de koolstofroosters niet op één lijn liggen, de atomen zoeken naar evenwicht en vormen korrelgrenzen die de elektronische eigenschappen van de grotere plaat regelen. Onderzoekers - en industrieën - willen manieren om de halfgeleidende eigenschappen van grafeen te controleren door de grenzen te controleren.

"Een goed begrip van dit proces geeft richting aan hoe de onderlinge oriëntatie van eilanden te organiseren, "Zei Yakobson. "Dus als ze samensmelten, kun je, met opzet, creëer bepaalde korrelgrenzen met bijzonder interessante eigenschappen. Dus dit onderzoek meer dan alleen onze nieuwsgierigheid bevredigen, is erg handig."

Hij suggereerde dat dezelfde berekeningen zouden kunnen gelden voor de groei van andere tweedimensionale materialen zoals hexagonaal boornitride of molybdeendisulfide en zijn verwanten, ook veel bestudeerd vanwege hun potentieel voor elektronica.

De co-auteurs van het artikel zijn Yufeng Hao, een onderzoeker aan de Columbia University, en Rodney Ruoff, directeur van het Center for Multidimensional Carbon Materials van het Ulsan National Institute of Science and Technology, Ulsan, Zuid-Korea.