Een internationaal team van wetenschappers heeft een nieuwe manier ontwikkeld om enkellaags grafeen te produceren uit een eenvoudige voorloper:etheen - ook wel ethyleen genoemd - het kleinste alkeenmolecuul, die slechts twee atomen koolstof bevat.

Door het etheen stapsgewijs te verhitten tot een temperatuur van iets meer dan 700 graden Celsius - heter dan eerder was geprobeerd - produceerden de onderzoekers pure lagen grafeen op een rhodiumkatalysatorsubstraat. De stapsgewijze verwarming en hogere temperatuur overwon de uitdagingen die werden gezien bij eerdere pogingen om grafeen rechtstreeks uit koolwaterstofprecursoren te produceren.

Vanwege de lagere kosten en eenvoud, de techniek zou nieuwe potentiële toepassingen voor grafeen kunnen openen, die aantrekkelijke fysieke en elektronische eigenschappen heeft. Het werk biedt ook een nieuw mechanisme voor de zelfevolutie van koolstofclusterprecursoren waarvan de diffusiecoalescentie resulteert in de vorming van de grafeenlagen.

Het onderzoek, gerapporteerd als het omslagartikel in het nummer van 4 mei van de Journal of Physical Chemistry C , werd uitgevoerd door wetenschappers van het Georgia Institute of Technology, Technische Universität München in Duitsland, en de Universiteit van St. Andrews in Schotland. In de Verenigde Staten, het onderzoek werd ondersteund door het U.S. Air Force Office of Scientific Research en het U.S. Department of Energy's Office of Basic Energy Sciences.

"Omdat grafeen is gemaakt van koolstof, we besloten te beginnen met het eenvoudigste type koolstofmoleculen en te kijken of we ze tot grafeen konden assembleren, " legde Uzi Landman uit, een Regents' Professor en FE Callaway bijzonder leerstoel aan de Georgia Tech School of Physics die de theoretische component van het onderzoek leidde. "Van kleine moleculen die koolstof bevatten, je eindigt met macroscopische stukjes grafeen."

Grafeen wordt nu geproduceerd met behulp van verschillende methoden, waaronder chemische dampafzetting, verdamping van silicium uit siliciumcarbide - en eenvoudige afschilfering van grafeenvellen uit grafiet. Een aantal eerdere pogingen om grafeen te produceren uit eenvoudige koolwaterstofprecursoren waren grotendeels mislukt, het creëren van ongeordend roet in plaats van gestructureerd grafeen.

Geleid door een theoretische benadering, de onderzoekers redeneerden dat het pad van etheen naar grafeen de vorming van een reeks structuren zou inhouden, aangezien waterstofatomen de etheenmoleculen verlaten en koolstofatomen zichzelf assembleren tot het honingraatpatroon dat kenmerkend is voor grafeen. Om de aard van de thermisch geïnduceerde rhodium-oppervlakte-gekatalyseerde transformaties van etheen naar grafeen te onderzoeken, experimentele groepen in Duitsland en Schotland verhoogden de temperatuur van het materiaal stapsgewijs onder ultrahoog vacuüm. Ze gebruikten scanning-tunneling microscopie (STM), thermisch geprogrammeerde desorptie (TPD) en hoge resolutie elektronenenergieverlies (vibratie) spectroscopie (HREELS) om de structuren die zich bij elke stap van het proces vormen, te observeren en te karakteriseren.

Bij verwarming, etheen geadsorbeerd aan de rhodiumkatalysator evolueert via koppelingsreacties om gesegmenteerde eendimensionale polyaromatische koolwaterstoffen (1D-PAK) te vormen. Verdere verhitting leidt tot dimensionele crossover - eendimensionale naar tweedimensionale structuren - en dynamische herstructureringsprocessen aan de uiteinden van de PAK-keten met een daaropvolgende geactiveerde onthechting van grootte-selectieve koolstofclusters, volgens een mechanisme dat is onthuld door kwantummechanische simulaties van de eerste beginselen. Eindelijk, snelheidsbeperkende diffusie-coalescentie van deze dynamisch zelfontwikkelde cluster-precursoren leidt tot condensatie tot grafeen met een hoge zuiverheid.

In de laatste fase vóór de vorming van grafeen, de onderzoekers observeerden bijna ronde schijfachtige clusters met 24 koolstofatomen, die zich uitbreidden om het grafeenrooster te vormen. "De temperatuur moet worden verhoogd binnen vensters van temperatuurbereiken om de vereiste structuren te laten vormen vóór de volgende verwarmingsfase, "Landman legde uit. "Als je stopt bij bepaalde temperaturen, je zult waarschijnlijk eindigen met cokes."

Een belangrijk onderdeel is het dehydrogeneringsproces dat de koolstofatomen vrijmaakt om tussenvormen te vormen, maar een deel van de waterstof blijft tijdelijk op, of dichtbij, het oppervlak van de metalen katalysator en het helpt bij het daaropvolgende proces van het verbreken van de bindingen die leiden tot het losraken van de 24-koolstofcluster-precursoren. "De hele weg, er is een verlies van waterstof uit de clusters, "zei Landman. "Door de temperatuur te verhogen, 'kookt' in wezen de waterstof uit de evoluerende metaalondersteunde koolstofstructuur, culminerend in grafeen."

De resulterende grafeenstructuur wordt op de katalysator geadsorbeerd. Het kan handig zijn om aan het metaal te worden bevestigd, maar voor andere toepassingen, er zal een manier moeten worden ontwikkeld om het te verwijderen. Landman toegevoegd:"Dit is een nieuwe route naar grafeen, en de mogelijke technologische toepassing moet nog worden onderzocht."