Nieuwe experimenten hebben aangetoond dat het mogelijk is dat extreem hoge stromen door grafeen gaan, een vorm van koolstof. Hierdoor kunnen onevenwichtigheden in elektrische lading snel worden verholpen.

Alweer, grafeen heeft bewezen een nogal bijzonder materiaal te zijn:een internationaal onderzoeksteam onder leiding van professor Fritz Aumayr van het Institute of Applied Physics van de TU Wien kon aantonen dat de elektronen in grafeen extreem mobiel zijn en zeer snel reageren. Het inslaan van xenon-ionen met een bijzonder hoge elektrische lading op een grafeenfilm zorgt ervoor dat een groot aantal elektronen op een zeer precieze plek van het grafeen wordt weggerukt. Echter, het materiaal was in staat om de elektronen binnen enkele femtoseconden te vervangen. Dit resulteerde in extreem hoge stromen, die onder normale omstandigheden niet zou worden gehandhaafd. De buitengewone elektronische eigenschappen maken grafeen een veelbelovende kandidaat voor toekomstige toepassingen op het gebied van elektronica.

Het Helmholtz-Center Dresden-Rossendorf en de Universiteit van Duisburg-Essen namen samen met de TU Wien deel aan het experiment. Het internationale team kreeg theoretische ondersteuning van Parijs en San Sebastian en van eigen personeel (Instituut voor Theoretische Fysica aan de TU Wien).

Sterk geladen ionen

'We werken met extreem hoog geladen xenon-ionen, ' legt Elisabeth Gruber uit, een promovendus van het onderzoeksteam van professor Aumayr. 'Tot 35 elektronen worden verwijderd uit de xenon-atomen, wat betekent dat de atomen een hoge positieve elektrische lading hebben.'

Deze ionen worden vervolgens afgevuurd op een vrijstaande enkele laag grafeen, die tussen microscopisch kleine haakjes wordt geklemd. 'Het xenon-ion dringt door de grafeenfilm, waardoor een koolstofatoom uit het grafeen wordt geslagen - maar dat heeft heel weinig effect, omdat de opening die in het grafeen is ontstaan, vervolgens wordt opgevuld met een ander koolstofatoom, ', legt Elisabeth Gruber uit. 'Voor ons, veel interessanter is hoe het elektrische veld van het hooggeladen ion de elektronen in de grafeenfilm beïnvloedt.'

Dit gebeurt zelfs voordat het sterk geladen xenon-ion in botsing komt met de grafeenfilm. Naarmate het sterk geladen ion nadert, begint het elektronen weg te scheuren van het grafeen vanwege het extreem sterke elektrische veld. Tegen de tijd dat het ion volledig door de grafeenlaag is gegaan, het heeft een positieve lading van minder dan 10, vergeleken met meer dan 30 toen het begon. Het ion is in staat om meer dan 20 elektronen te extraheren uit een klein gebied van de grafeenfilm.

Dit betekent dat er nu elektronen ontbreken in de grafeenlaag, dus de koolstofatomen rond het inslagpunt van de xenon-ionen zijn positief geladen. 'Wat je nu zou verwachten, is dat deze positief geladen koolstofionen elkaar afstoten, wegvliegen in wat een Coulomb-explosie wordt genoemd en een grote opening in het materiaal achterlaten, ' zegt Richard Wilhelm van het Helmholtz-Center Dresden-Rossendorf, die momenteel aan de TU Wien werkt als postdoctoraal medewerker. 'Maar verbazingwekkend, Dat is niet het geval. De positieve lading in het grafeen wordt vrijwel ogenblikkelijk geneutraliseerd.'

Dat kan alleen omdat er in het grafeen in een extreem kort tijdsbestek van enkele femtoseconden (vier miljardsten van een seconde) voldoende elektronen kunnen worden vervangen. 'De elektronische reactie van het materiaal op de verstoring door het xenon-ion is extreem snel. Sterke stromen uit aangrenzende gebieden van de grafeenfilm leveren onmiddellijk elektronen voordat een explosie wordt veroorzaakt doordat de positieve ladingen elkaar afstoten, ', legt Elisabeth Gruber uit. 'De stroomdichtheid is ongeveer 1000 keer hoger dan die welke onder normale omstandigheden tot vernietiging van het materiaal zou leiden - maar over deze afstanden en tijdschalen, grafeen kan zulke extreme stromen weerstaan ​​zonder schade op te lopen.'

Ultrasnelle elektronica

Deze extreem hoge elektronenmobiliteit in grafeen is van groot belang voor een aantal mogelijke toepassingen:'De hoop is dat juist om deze reden, het wordt mogelijk om met grafeen ultrasnelle elektronica te bouwen. Grafeen blijkt ook uitstekend geschikt te zijn voor gebruik in optica, bijvoorbeeld bij het aansluiten van optische en elektronische componenten, ' zegt Amayr.