Het produceren van structureel perfect grafeen en andere 2D-materialen is het geheim om gebruik te maken van hun potentiële nieuwe elektronische en spintronische eigenschappen. Maar hoe weten we wanneer grafeen, het meest bestudeerde 2D-materiaal, is perfect - een defectvrije en uniforme laag atomen?

Wetenschappers van het Ames Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een indicator ontdekt die op betrouwbare wijze de hoge kwaliteit van een monster aantoont, en het was er een die zich tientallen jaren in het volle zicht verstopte.

De onderzoekers onderzochten monsters van grafeen met behulp van elektronendiffractie met lage energie, een techniek die veel wordt gebruikt in de natuurkunde om de kristalstructuur van de oppervlakken van vaste materialen te bestuderen.

Wat ze vonden, voldeed niet aan de geaccepteerde regels van diffractie.

"De ontdekking is een paradox, " zei Michael Tringides, een senior wetenschapper bij Ames Laboratory die de unieke eigenschappen onderzoekt van 2D-materialen en metalen die op grafeen worden gekweekt, grafiet, en andere met koolstof gecoate oppervlakken. "Handboekdiffractie stelt dat hoe foutloos een materiaal is, hoe scherper en helderder de diffractievlekken, en imperfecte materialen hebben een lage intensiteit, bredere diffractievlekken."

Maar in het geval van zeer uniforme monsters van grafeen, de diffractiestudies toonden niet alleen de verwachte scherpe vlekken, maar ook een zeer brede band van diffuse diffractie op de achtergrond.

"Dat resultaat is niet intuïtief en heel vreemd, " zei Tringides, "maar we vinden dat dit brede diffractiepatroon een intrinsiek kenmerk is van grafeen, en als je het hebt, je hebt heel goed grafeen. Dit is een goede manier om de structurele perfectie kwantitatief te meten."

Bovendien, dit vreemde diffractiepatroon was aanwezig en zichtbaar in de afgelopen 25 jaar publicaties over grafeenonderzoek, en toch genegeerd. "Het was een grote, merkbare verschijnselen, en reproduceerbaar, en we realiseerden ons dat het op de een of andere manier extreem belangrijk moet zijn, ' zei Tringides.

Hoewel er meer theoretisch werk nodig is om de experimentele bevindingen volledig te verklaren, de wetenschappers geloven dat het brede diffractiefenomeen wordt veroorzaakt door de opsluiting van grafeenelektronen in een enkele laag atomen. Volgens de grondbeginselen van de kwantummechanica, omdat de elektronpositie loodrecht op de laag precies bekend is, hun golfvector moet een spreiding hebben, die wordt overgedragen aan de afgebogen elektronen. Dit effect is ook significant voor andere soorten 2D-materialen. Met de aanhoudende en groeiende interesse in 2D-materialen voor een verscheidenheid aan toepassingen, verbetering van hun structurele kwaliteit zal de sleutel zijn tot veelbelovende nieuwe technologieën, zei Tringides.

"Dit werk biedt een belangrijke stap in de richting van het vermogen om grafeen en andere 2D-materialen precies te optimaliseren, en hun eigenschappen afstemmen op specifieke toepassingen, " hij zei.

Het onderzoek wordt verder besproken in de paper, "Diffractieparadox:een ongewoon brede diffractieachtergrond markeert grafeen van hoge kwaliteit, " geschreven door S. Chen, M. Horn von Hoegen, PA Thiel, en M.C. Tringides; en gepubliceerd in Fysieke beoordeling B .