Grafeen en andere stoffen van één atoom dik zijn een categorie wondermaterialen, met onderzoekers over de hele wereld die hun elektronische eigenschappen onderzoeken voor mogelijke toepassingen in technologieën zo divers als zonnecellen, nieuwe halfgeleiders, sensoren, en energieopslag.

De grootste uitdaging voor het ontwerp van deze enkellaagse of 2D-materialen voor al hun talloze potentiële toepassingen is de behoefte aan een atoom-voor-atoom perfectie en uniformiteit die moeilijk en nauwgezet kan zijn om op zulke kleine schaal te bereiken, en ook moeilijk te beoordelen.

"We proberen slimmer te zijn dan de natuur bij het samenstellen van deze materialen, " zei Michael C. Tringides, een senior wetenschapper aan het Ames Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy en professor in de natuurkunde aan de Iowa State University, die de unieke eigenschappen onderzoekt van 2D-materialen en metalen die op grafeen zijn gekweekt, grafiet, en andere met koolstof gecoate oppervlakken. "En om dat te doen, we dwingen atomen om te assembleren op manieren die ze normaal niet zouden doen. Een van de grootste uitdagingen van het veld is om op betrouwbare wijze grafeen en andere soortgelijke materialen te produceren."

Tringides en andere wetenschappers van Ames Laboratory hebben een methode ontdekt en bevestigd die zou kunnen dienen als een gemakkelijke maar betrouwbare manier om de kwaliteit van grafeen en andere 2D-materialen te testen. Het maakt gebruik van de zeer brede achtergrond in oppervlakte-elektronendiffractie, genaamd de Bell-Shaped-Component (BSC) die sterk correleert met uniform gevormde, of "perfect" grafeen.

Het begrijpen van de correlatie heeft implicaties voor een betrouwbare kwaliteitscontrole van 2D-materialen in een productieomgeving.

"Deze ontdekking daagt conventionele wijsheid uit, maar de correlatie tussen dit vreemde fenomeen en grafeen van hoge kwaliteit is onmiskenbaar. In praktische toepassing, we zien dat het zich uitbreidt naar andere hoogwaardige 2D-materialen die vergelijkbaar zijn met grafeen in een vergelijkbare uniformiteit van een enkele laag, ’ zei Tringides.

Vorig jaar, Ames Laboratory-onderzoekers ontdekten door middel van elektronendiffractie met lage energie - een techniek die in de natuurkunde vaak wordt gebruikt om de kristalstructuur van de oppervlakken van vaste materialen te bestuderen - dat brede diffractiepatronen een indicator zijn die op betrouwbare wijze de hoge kwaliteit van een 2D-materiaal aantoont. Het was een kenmerk van grafeen van hoge kwaliteit dat in wezen op de achtergrond op de loer lag, en was over het hoofd gezien in gepubliceerd onderzoek omdat het precies het tegenovergestelde was van wat algemeen wordt aangenomen uit diffractiestudies - dat alleen scherpe, heldere diffractievlekken moeten aanwezig zijn. Omdat die bevinding contra-intuïtief was, verder onderzoek was nodig onder verschillende experimentele omstandigheden en om de oorsprong van de BSC te begrijpen, zei Tringides.

Eerst, de wetenschappers lieten grafeen groeien door te gloeien, of het verwarmen, door een reeks hoge temperaturen, en het vergelijken van de groei van de BSC-diffractie samen met de groei van de andere, algemeen aanvaarde indicator van scherpe diffractievlekken. De evolutie van de brede diffractie-achtergrond kwam nauw overeen met die van de scherpere plek, waaruit bleek dat ze gecorreleerd zijn. Ten tweede, de groep experimenteerde vervolgens met het afzetten van metaalatomen (in dit geval dysprosium) op het oppervlak en onder het grafeen. Intercalatie genoemd, dit depositieproces is een van de manieren waarop wetenschappers 2D-materialen kunnen aanpassen voor specifieke functies. Bij het tweede experiment wetenschappers hebben de groei van de BSC tijdens intercalatie gemeten - zwak wanneer de metaalatomen aanvankelijk ongeordend zijn, en dan toenemen naarmate de metaalatomen op hun plaats klikken tussen het grafeen en het substraat, het creëren van een uniforme laag. Dus hoewel de BSC geen diffractiepatroon uit het leerboek was, de oorzaak is de kwantummechanica uit het leerboek - aangezien elektronen in een enkele laag worden geperst, hun golfvectoren moeten zich verspreiden, het creëren van het brede diffractiepatroon.

Het onderzoek wordt verder besproken in het artikel "High Layer Uniformity of Two-Dimensional Materials Demonstrated Surprisingly from Broad Features in Surface Electron Diffraction, " geschreven door S. Chen, M. Horn von Hoegen, PA Thiel, A. Kaminski, B. Schrunk, T. Speliotis, E.H. Conrad, en M.C. Tringides; en gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry Letters .