Onderzoekers van de Wright State University hebben de weg vrijgemaakt voor uitgebreide toepassingen van grafeen in alles, van ruimteverkenning tot sensoren voor alle weersomstandigheden.

Het onderzoek werd uitgevoerd door Elliott Brown, de Ohio Research Scholars Endowed Chair in Sensors Physics, en Weidong Zhang, onderzoeksfysicus bij de afdeling Natuurkunde. Hun werk is onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie , een wetenschappelijk tijdschrift dat de natuurwetenschappen behandelt, inclusief natuurkunde, scheikunde en biologie.

Grafeen is 's werelds eerste tweedimensionale materiaal met een monoatomaire dikte - een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een hexagonaal (honingraat) rooster. De mechanische eigenschappen in het vlak maken het het sterkste materiaal dat ooit is getest, toch is het zeer flexibel out-of-plan. Het geleidt warmte en elektrische stroom efficiënt en is bijna transparant voor zichtbaar licht.

Wetenschappers hebben jarenlang getheoretiseerd over grafeen, maar het was pas in 2004 dat het materiaal met succes werd geïsoleerd, door afschilfering van grafietkristallen - met plakband. Dat werk van Andre Geim en Konstantin Novoselov aan de Universiteit van Manchester leverde hen in 2010 de Nobelprijs voor de natuurkunde op.

"Wat mensen enthousiast maakte over grafeen, was het feit dat het de mogelijkheid bood voor hogere elektronen- en gatenmobiliteiten bij kamertemperatuur dan welke bekende halfgeleider dan ook, " zei Brown. Mobiliteit is een manier om de versnelling van gratis ladingdragers te karakteriseren en is een belangrijke maatstaf voor materialen die worden gebruikt in allerlei soorten solid-state elektronica.

Monatomic grafeenfilms op siliciumsubstraten werden geleverd aan Wright State door medewerkers van de University of California-Irvine. Brown en Zhang voerden vervolgens nauwkeurige elektromagnetische metingen uit bij THz-frequenties met behulp van hun unieke instrumentatie. Ze realiseerden zich toen dat de gegevens goed konden worden verklaard met behulp van een algemene methode in de elektrotechniek, microgolftransmissielijnmodellering genaamd.

"We hebben ontdekt hoe we het transmissielijnmodel kunnen aanpassen - om de interactie van elektromagnetische straling met grafeen als een tweedimensionaal materiaal te beschrijven, " zei Brown. "Dit onderzoek zal helpen om grafeen van de fysica-arena te verplaatsen naar een regime voor technische toepassingen. Het betekent dat elektrotechnici die in de industrie of in onderzoekslaboratoria werken, beter weten hoe grafeen in hoogfrequente circuits moet worden geanalyseerd en hoe het interageert met straling."

Brown zegt dat dit de weg kan banen naar technologische vooruitgang in toepassingen zoals de straalbesturing in navigatieradarsystemen met hoge resolutie door rook en mist, evenals millimetergolf- en THz-beeldvormingssystemen van verborgen objecten door kleding en plastic containers.

"Er is veel werk gestoken in het bestuderen van deze toepassingen van grafeen, maar betere techniek is vereist voor hun succes, " hij zei.