Door defecten te introduceren in het perfecte oppervlak van grafeen op siliciumcarbide, onderzoekers van de Universiteit van Linköping in Zweden hebben de capaciteit van het materiaal om elektrische lading op te slaan vergroot. Dit resultaat, dat is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Electrochimica Acta, vergroot onze kennis over hoe dit ultradunne materiaal kan worden gebruikt.

Het dunste materiaal ooit geproduceerd, grafeen, bestaat uit een enkele laag koolstofatomen. Ze vormen een kippengaasstructuur van één atoom dik, met unieke eigenschappen. Het is ongeveer 200 keer sterker dan staal, en zeer flexibel. Het is transparant, maar gassen en vloeistoffen kunnen er niet doorheen. In aanvulling, het is een uitstekende geleider van elektriciteit. Er zijn veel ideeën over hoe dit nanomateriaal kan worden gebruikt, en onderzoek naar toekomstige toepassingen is intensief.

"Grafeen is fascinerend, maar uiterst moeilijk om te studeren, " zegt Michail Vagin, hoofdonderzoeksingenieur bij de afdeling Wetenschap en Technologie en de afdeling Natuurkunde, Scheikunde en biologie aan de Universiteit van Linköping.

Een van de factoren die bijdragen aan de moeilijkheid om de eigenschappen van grafeen te begrijpen, is dat het een zogenaamd "anisotroop" materiaal is. Dit betekent dat de eigenschappen ervan, gemeten op het vlakke oppervlak van de koolstofatoomlaag, verschillen van die gemeten aan de randen. Verder, pogingen om het gedrag van grafeen op atomair niveau te begrijpen, worden bemoeilijkt door het feit dat het op verschillende manieren kan worden geproduceerd. De eigenschappen van grafeen in kleine vlokken, die veel randen hebben, verschillen in meerdere opzichten van die van grafeen geproduceerd als platen met een oppervlakte van ongeveer 1 cm2.

De onderzoekers die het onderzoek uitvoerden, gebruikten grafeen dat is gemaakt op een kristal van siliciumcarbide met een methode die is ontwikkeld aan de Universiteit van Linköping. Wanneer siliciumcarbide wordt verwarmd tot 2000 °C, siliciumatomen aan het oppervlak gaan naar de dampfase en alleen de koolstofatomen blijven over. Het grafeen reageert niet gemakkelijk met zijn omgeving vanwege de hoge kwaliteit van de grafeenlaag en zijn aangeboren inertie, terwijl toepassingen vaak afhankelijk zijn van gecontroleerde interactie tussen het materiaal en de omgeving, zoals gasmoleculen. Een voortdurende discussie onder onderzoekers in het veld is of het mogelijk is om het grafeen op het platte oppervlak te activeren of dat het nodig is om randen te hebben. De LiU-onderzoekers onderzochten wat er gebeurt als defecten in het oppervlak gecontroleerd worden geïntroduceerd, en probeerde op deze manier in meer detail te begrijpen hoe de eigenschappen van grafeen gerelateerd zijn aan de structuur ervan.

"Een elektrochemisch proces dat bekend staat als 'anodiseren' breekt de grafeenlaag af zodat er meer randen ontstaan. We maten de eigenschappen van geanodiseerd grafeen en ontdekten dat de capaciteit van het materiaal om elektriciteit op te slaan vrij hoog was, ' zegt Michail Vagin.

Er is meer werk nodig voordat de nieuwe kennis kan worden gebruikt, en hetzelfde effect op grotere schaal te produceren. De wetenschappers zijn van plan het onderzoek op verschillende manieren op te volgen.

"Grafeen op siliciumcarbide kan in grotere gebieden worden gemaakt dan andere soorten grafeen. Als we de eigenschappen van het materiaal op een gecontroleerde manier kunnen veranderen, het is misschien mogelijk om het oppervlak aan te passen voor andere functies. Het kan mogelijk zijn, bijvoorbeeld, om een ​​sensor te maken met een eigen ingebouwde batterij, " zegt Mikael Syväjärvi, hoofdonderzoeksingenieur bij de afdeling Natuurkunde, Chemie en Biologie en co-auteur van het artikel. Hij is een van de oprichters van een bedrijf, Grafisch AB, dat werkt met commerciële toepassingen van grafeen op siliciumcarbide.

De resultaten kwamen voort uit een afstudeerproject dat werd uitgevoerd in een samenwerking tussen Graphensic en onderzoekers van de Universiteit van Linköping.