Een team met natuurkundigen van de Universiteit van Basel is erin geslaagd om met behulp van atoomkrachtmicroscopie duidelijke beelden te verkrijgen van individuele onzuiverheidsatomen in grafeenlinten. Dankzij de krachten gemeten in het tweedimensionale koolstofrooster van grafeen, ze konden voor het eerst boor en stikstof identificeren, zoals de onderzoekers rapporteren in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Grafeen is gemaakt van een tweedimensionale laag koolstofatomen die in een hexagonaal rooster zijn gerangschikt. De sterke bindingen tussen de koolstofatomen maken grafeen extreem stabiel en toch flexibel. Het is ook een uitstekende elektrische geleider waardoor elektriciteit vrijwel zonder verlies kan stromen.

De onderscheidende eigenschappen van grafeen kunnen verder worden uitgebreid door onzuiverheidsatomen op te nemen in een proces dat bekend staat als "doping". De onzuiverheidsatomen veroorzaken lokale veranderingen van de geleiding die, bijvoorbeeld, laten grafeen gebruiken als een kleine transistor en maken de constructie van circuits mogelijk.

In een samenwerking tussen wetenschappers van de Universiteit van Basel en het National Institute for Material Science in Tsukuba in Japan, Kanazawa University en Kwansei Gakuin University in Japan, en Aalto Universiteit in Finland, de onderzoekers hebben specifiek grafeenlinten gemaakt en onderzocht die onzuiverheidsatomen bevatten.

Ze vervingen bepaalde koolstofatomen in het hexagonale rooster door boor- en stikstofatomen met behulp van oppervlaktechemie, door geschikte organische voorloperverbindingen op een gouden oppervlak te plaatsen. Bij hitteblootstelling tot 400°C, kleine grafeenlinten gevormd op het gouden oppervlak van de voorlopers, inclusief onzuiverheidsatomen op specifieke plaatsen.

Wetenschappers van het team onder leiding van professor Ernst Meyer van het Zwitserse Nanoscience Institute en de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Basel onderzochten deze grafeenlinten met behulp van atoomkrachtmicroscopie (AFM). Ze gebruikten een met koolmonoxide gefunctionaliseerde punt en maten de kleine krachten die tussen de punt en de afzonderlijke atomen werken.

Met deze methode kunnen zelfs de kleinste verschillen in krachten worden gedetecteerd. Door naar de verschillende krachten te kijken, de onderzoekers konden de verschillende atomen in kaart brengen en identificeren. "De krachten gemeten voor stikstofatomen zijn groter dan voor een koolstofatoom, " legt Dr. Shigeki Kawai uit, hoofdauteur van de studie en voormalig postdoc in het team van Meyer. "We hebben de kleinste krachten gemeten voor de booratomen." De verschillende krachten kunnen worden verklaard door het verschillende aandeel afstotende krachten, wat te wijten is aan de verschillende atoomstralen.

Computersimulaties bevestigden de metingen, waaruit blijkt dat AFM-technologie zeer geschikt is voor het uitvoeren van chemische analyses van onzuiverheidsatomen in de veelbelovende tweedimensionale koolstofverbindingen.