Grafeen heeft een groot potentieel voor praktische toepassingen sinds het voor het eerst werd geïsoleerd in 2004. Maar we gebruiken het nog steeds niet in onze grootschalige technologie, omdat we geen manier hebben om grafeen op industriële schaal te produceren. Natuurkundigen van de Universiteit Leiden hebben nu voor het eerst gevisualiseerd hoe atomen zich gedragen tussen grafeen en een substraat. Dit inzicht kan van groot belang zijn voor toekomstige implementaties van industriële grafeenproductie. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Fysiek beoordelingsmateriaal .

In 2004, wetenschappers isoleerden een enkele laag koolstofatomen uit een blok grafiet. Grafeenlagen kunnen high-speed transistors mogelijk maken, goedkope elektrische auto's en gevoelige sensoren. Snel vooruit naar 2018, en grafeen zijn er nog weinig grootschalige grafeentoepassingen. Het probleem is dat onderzoekers geen manier hebben gevonden om op industriële schaal grafeen van hoge kwaliteit op het juiste substraat te produceren.

Hoewel wetenschappers wel een idee hebben voor grootschalige productie:verwarm siliciumcarbide tot bijna 2, 000 graden C, en er groeit een grafeenlaag op het oppervlak. Echter, onderzoekers moeten ervoor zorgen dat de gewenste eigenschappen van het grafeen niet worden verstoord door het substraat. Door waterstofatomen in te voegen tussen het grafeen en siliciumcarbide isoleert het grafeen en laat het intact als een enkellaags materiaal. Natuurkundige Sense Jan van der Molen en zijn onderzoeksgroep aan de Universiteit Leiden hebben nu voor het eerst in beeld gebracht hoe die atomen zich onder het grafeen gedragen.

De onderzoekers, waaronder postdoc Johannes Jobst en promovendus Tobias de Jong, gebruikten hun energiezuinige elektronenmicroscoop (LEEM) om te bestuderen wat er gebeurt met waterstofatomen die zich tussen grafeen en siliciumcarbide bevinden. Ze zagen lijnen waar de grafeenlaag gespannen is. De waterstofatomen gebruiken de lijnen als tunnels waar ze gemakkelijker kunnen ontsnappen, terwijl ze veel langer onder de gladde gebieden van het grafeen tussen deze lijnen blijven. "Het omgekeerde proces wordt veel gebruikt in onderzoek om het grafeen te ontkoppelen van het substraat, ", zegt Jobst. "Maar het was niet duidelijk hoe de waterstof op het grensvlak beweegt. We zouden kunnen aantonen dat waterstofgas in die tunnels kan worden geblazen, zodat het zich snel onder de grafeenlaag verspreidt in de vorm van individuele atomen."