Nieuwe methode voor het maken van grafeen omschakelingen in verbeteringen

Recent onderzoek heeft een nieuwe manier gevonden om grafeen te maken die structurele defecten toevoegt om de prestaties van het materiaal dat voordelen kan hebben in verschillende toepassingen te verbeteren – van sensoren en batterijen tot elektronica.

Wetenschappers van de University of Nottingham’s School of Chemistry, University of Warwick en Diamond Light Source ontwikkelden een proces met één stap om grafeenachtige films te laten groeien met behulp van een molecuul, Azupyreen, wiens vorm die van het gewenste defect nabootst. Het onderzoek is geweest gepubliceerd vandaag in Chemische wetenschap.

David Duncan, universitair hoofddocent aan de Universiteit van Nottingham en een van de hoofdauteurs van de studie, legt uit: “Onze studie onderzoekt een nieuwe manier om grafeen te maken, dit superdunne, supersterke materiaal is gemaakt van koolstofatomen, en hoewel perfect grafeen opmerkelijk is, is het soms te perfect. Het is zwak met andere materialen en ontbreekt het in de semiconductor-industrie.”

“Meestal worden defecten in materiaal gezien als problemen of fouten die de prestaties verminderen, we hebben ze opzettelijk gebruikt om functionaliteit toe te voegen. We hebben geconstateerd dat de defecten het grafeen meer ‘plakkerig’ kunnen maken voor andere materialen, waardoor het nuttiger wordt als een katalysator, evenals het verbeteren van het vermogen om verschillende gassen in sensoren te detecteren.

Grafeen bestaat uit een platte tegels van zes koolstofatomen in een ring. Het gewenste defect heeft aangrenzende ringen bestaande uit 5 en 7 koolstofatomen. Azupyrene heeft een vorm (of topologie) die natuurlijk dezelfde soort onregelmatige ringen bevat die in grafeen moet worden geïntroduceerd. Azupyreen werd gebruikt om grafeen te laten groeien om films te maken met een hoge snelheid van dit specifieke type defect en door de temperatuur tijdens de groei te veranderen, kon de hoeveelheid defecten in het uiteindelijke materiaal worden geregeld.

Onderzoekers van het Graphene Institute in Manchester hebben ook met succes aangetoond dat het grafeen kon worden overgebracht op verschillende oppervlakken die de defecten behouden, een belangrijke technologische prestatie om deze films toe te passen op daadwerkelijke apparaten.

This work used a wide range of advanced tools, bringing together a collaboration across the UK, Germany and Sweden using advanced microscopy and spectroscopy at Diamond Light Source in Oxfordshire and MAX IV in Sweden, as well as the UK national supercomputer ARCHER2, allowing the researchers to study the atomic structure of the defective graphene, demonstrating that the defects were present, and how the defects affected the chemical and electronic properties of the defect grafeen.

Professor Reinhard Maurer, Afdeling Chemie, Universiteit van Warwick, zegt: “Door zorgvuldig het startmolecuul en de groeiomstandigheden te kiezen, hebben we aangetoond dat het mogelijk is om grafeen te laten groeien waarin imperfecties op een meer gecontroleerde manier kunnen worden geïntroduceerd. We karakteriseren de handtekeningen van deze imperfecties door het samenbrengen van atomisch-schaal beeldvorming, spectroscopie, en computationele simulatie.”

“Deze studie is een bewijs van wat kan worden bereikt door internationale samenwerking en de integratie van verschillende wetenschappelijke expertise,” zei Dr. Tien-Lin Lee van Diamond Light Source. “Door geavanceerde microscopie, spectroscopie en computationele modellering tussen instellingen in het Verenigd Koninkrijk, Duitsland en Zweden te combineren, konden we de mechanismen op atoomschaal achter de vorming van het defect in grafeen in grafeen ontdekken, iets dat geen enkele techniek of team alleen had kunnen bereiken.”