Deze week, een internationale groep wetenschappers meldt een doorbraak in de poging om de eigenschappen van grafeen niet-invasief te karakteriseren en tegelijkertijd informatie te verzamelen over de reactie op structurele spanning.

Met behulp van Raman-spectroscopie en statistische analyse, de groep slaagde erin metingen op nanoschaal te doen van de spanning die aanwezig is op elke pixel op het oppervlak van het materiaal. De onderzoekers kregen ook een beeld in hoge resolutie van de chemische eigenschappen van het grafeenoppervlak.

De resultaten, zegt Slava V. Rotkin, hoogleraar natuurkunde en ook van materiaalkunde en techniek aan de Lehigh University, zou wetenschappers mogelijk in staat kunnen stellen om de spanningsniveaus snel en nauwkeurig te volgen terwijl grafeen wordt gefabriceerd. Dit zou op zijn beurt de vorming van defecten kunnen helpen voorkomen die worden veroorzaakt door spanning.

"Wetenschappers wisten al dat Raman-spectroscopie impliciet nuttige informatie kon verkrijgen over spanning in grafeen, " zegt Rotkin. "We hebben expliciet laten zien dat je de soort in kaart kunt brengen en informatie kunt verzamelen over de effecten ervan.

"Bovendien, met behulp van statistische analyse, we hebben laten zien dat het mogelijk is om meer te weten te komen over de verdeling van de spanning binnen elke pixel, hoe snel de spanningsniveaus veranderen en het effect van deze verandering op de elektronische en elastische eigenschappen van grafeen."

De groep rapporteerde haar resultaten in Natuurcommunicatie in een artikel met de titel "Raman-spectroscopie als sonde van spanningsvariaties op nanometerschaal in grafeen."

Naast Rotkin, het artikel is geschreven door onderzoekers van de RWTH/Aachen University en het Jülich Research Center in Duitsland; de Université Paris in Frankrijk; Universidade Federal Fluminense in Brazilië; en het National Institute for Materials Science in Japan.

Grafeen is het dunste materiaal dat de wetenschap kent, en ook een van de sterkste. Een 1-atoom dik vel koolstof, grafeen was het eerste 2-dimensionale materiaal dat ooit werd ontdekt. Bij gewicht, het is 150 tot 200 keer sterker dan staal. Het is ook flexibel, gespannen, vrijwel transparant en een uitstekende geleider van warmte en elektriciteit.

In 2010, Andre Geim en Konstantin Novoselov wonnen de Nobelprijs voor de natuurkunde voor hun innovatieve experimenten met grafeen. Gebruik gewoon plakband, de twee Britse natuurkundigen slaagden erin lagen grafeen van grafiet te pellen - geen gemakkelijke taak gezien het feit dat 1 millimeter grafiet uit 3 miljoen lagen grafeen bestaat.

In het decennium of zo sinds Geim en Novoselov begonnen met het publiceren van de resultaten van hun onderzoek naar grafeen, het materiaal heeft zijn weg gevonden naar verschillende toepassingen, variërend van tennisrackets tot touchscreens voor smartphones. De 2013-markt voor grafeen in de VS, volgens een artikel uit 2014 in Nature, werd geschat op $ 12 miljoen.

Verschillende obstakels staan ​​een verdere commercialisering van grafeen in de weg. Een daarvan is de aanwezigheid van defecten die de roosterstructuur van grafeen onder druk zetten en de elektronische en optische eigenschappen nadelig beïnvloeden. Gerelateerd hieraan is de moeilijkheid om grafeen van hoge kwaliteit te produceren tegen lage kosten en in grote hoeveelheden.

"Grafeen is stabiel en flexibel en kan uitzetten zonder te breken, " zegt Rotkin, die in het najaar van 2013 aan de RWTH/Universiteit Aken werkte. "Maar het heeft rimpels, of bubbels, op het oppervlak, die het oppervlak een heuvelachtig gevoel geven en potentiële toepassingen belemmeren."

Een laag grafeen wordt meestal gemaakt op een substraat van siliciumdioxide door een proces dat chemische dampafzetting wordt genoemd. Het materiaal kan worden belast door vervuiling die optreedt tijdens het proces of omdat het grafeen en het substraat verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten hebben en dus met verschillende snelheden afkoelen en krimpen.

Om de eigenschappen van grafeen te bepalen, de groep gebruikte Raman-spectroscopie, een krachtige techniek die licht verzamelt dat van het oppervlak van een materiaal wordt verstrooid. De groep paste ook een magnetisch veld toe om aanvullende informatie over het grafeen te krijgen. Het magnetische veld regelt het gedrag van de elektronen in grafeen, waardoor het mogelijk wordt om de effecten van de Raman-spectroscopie duidelijker te zien, zegt Rotkin.

"Het Raman-signaal vertegenwoordigt de 'vingerafdruk' van de eigenschappen van grafeen, ' zei Rotkin. 'We proberen de invloed van het magnetische veld op het Raman-signaal te begrijpen. We varieerden het magnetische veld en merkten dat elke Raman-lijn in het grafeen veranderde als reactie op deze variaties."

De typische ruimtelijke resolutie van de "Raman-kaart" van grafeen is ongeveer 500 nanometer (nm), of de breedte van de laservlek, de groep rapporteerde in Natuurcommunicatie . Deze resolutie maakt het mogelijk variaties in rek op micrometerschaal te meten en de gemiddelde hoeveelheid rek op het grafeen te bepalen.

Door een statistische analyse van het Raman-signaal uit te voeren, echter, de groep meldde dat het in staat was om de rek bij elke pixel te meten en de rek in kaart te brengen, en de variaties in spanning, één pixel tegelijk.

Dus, meldde de groep, het was in staat om "onderscheid te maken tussen spanningsvariaties op micrometerschaal, die kan worden geëxtraheerd uit ruimtelijk opgeloste Raman-kaarten, en spanningsvariaties op nanometerschaal, die zich op sub-spot-size lengteschalen bevinden en niet direct kunnen worden waargenomen door Raman-beeldvorming, maar worden beschouwd als belangrijke bronnen van verstrooiing voor elektronisch transport."

De groep produceerde zijn grafeenmonsters met behulp van chemische dampafzetting (CVD) aan de RWTH/Universiteit van Aken.