Onderzoekers over de hele wereld zijn op zoek naar nieuwe synthetische materialen met speciale eigenschappen zoals supergeleiding, dat wil zeggen, het geleiden van elektrische stroom zonder weerstand. Deze nieuwe stoffen zijn een belangrijke stap in de ontwikkeling van zeer energiezuinige elektronica. Het uitgangsmateriaal is vaak een enkellaagse honingraatstructuur van koolstofatomen (grafeen).

Theoretische berekeningen voorspellen dat de verbinding die bekend staat als kagome grafeen totaal andere eigenschappen zou moeten hebben dan grafeen. Kagome grafeen bestaat uit een regelmatig patroon van zeshoeken en gelijkzijdige driehoeken die elkaar omringen. De naam Kagome komt van de oude Japanse kunst van het Kagome weven, waarin manden in hetzelfde patroon zijn geweven.

Kagome-rooster met nieuwe eigenschappen

Onderzoekers van het departement Natuurkunde en het Zwitserse Nanoscience Institute aan de Universiteit van Basel, in samenwerking met de Universiteit van Bern, hebben nu voor het eerst kagome-grafeen geproduceerd en bestudeerd, zoals ze rapporteren in het journaal Angewandte Chemie . De metingen van de onderzoekers hebben veelbelovende resultaten opgeleverd die wijzen op ongebruikelijke elektrische of magnetische eigenschappen.

Om het kagome-grafeen te produceren, het team bracht een voorloper aan op een zilversubstraat door middel van dampafzetting en verwarmde het vervolgens om een ​​organometallisch tussenproduct op het metalen oppervlak te vormen. Verdere verwarming produceerde kagome grafeen, die uitsluitend uit koolstof- en stikstofatomen bestaat en hetzelfde regelmatige patroon van zeshoeken en driehoeken heeft.

Sterke interacties tussen elektronen

"We gebruikten scanning tunneling en atomic force microscopen om de structurele en elektronische eigenschappen van het kagome-rooster te bestuderen, " meldt Dr. Rémy Pawlak, eerste auteur van de studie. Met dit soort microscopen onderzoekers kunnen de structurele en elektrische eigenschappen van materialen onderzoeken met behulp van een kleine tip - in dit geval de punt werd afgesloten met individuele koolmonoxidemoleculen.

Daarbij, merkten de onderzoekers op dat elektronen met een gedefinieerde energie, die wordt geselecteerd door een elektrische spanning aan te leggen, zijn "gevangen" tussen de driehoeken die verschijnen in het kristalrooster van kagome grafeen. Dit gedrag onderscheidt het materiaal duidelijk van conventioneel grafeen, waar elektronen zijn verdeeld over verschillende energietoestanden in het rooster - met andere woorden, ze zijn gedelokaliseerd.

"De lokalisatie die wordt waargenomen in kagome-grafeen is wenselijk en precies wat we zochten, " legt professor Ernst Meyer uit, die de groep leidt waarin de projecten zijn uitgevoerd. "Het veroorzaakt sterke interacties tussen de elektronen - en, beurtelings, deze interacties vormen de basis voor ongewone verschijnselen, zoals geleiding zonder weerstand."

Verdere onderzoeken gepland

Uit de analyses bleek ook dat kagome-grafeen halfgeleidende eigenschappen heeft, met andere woorden, zijn geleidende eigenschappen kunnen worden in- of uitgeschakeld, net als bij een transistor. Op deze manier, kagome grafeen verschilt aanzienlijk van grafeen, waarvan de geleidbaarheid niet zo gemakkelijk kan worden in- en uitgeschakeld.

Bij latere onderzoeken het team zal het kagome-rooster losmaken van het metalen substraat en de elektronische eigenschappen ervan verder bestuderen. "De platte bandstructuur die in de experimenten is geïdentificeerd, ondersteunt de theoretische berekeningen, die voorspellen dat opwindende elektronische en magnetische verschijnselen kunnen optreden in kagome-roosters. In de toekomst, kagome grafeen kan fungeren als een belangrijke bouwsteen in duurzame en efficiënte elektronische componenten, ", zegt Ernst Meijer.