Betrouwbare kwaliteitscontrole van grafeen en andere 2-D-materialen is routinematig mogelijk, zeggen onderzoekers

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

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

“We proberen bij het samenstellen van deze materialen slimmer te zijn dan de natuur”, zegt Michael C. Tringides, een senior wetenschapper bij het Ames Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy en hoogleraar natuurkunde aan de Iowa State University, die de unieke eigenschappen van 2 onderzoekt. D materialen en metalen gegroeid op grafeen, grafiet en andere met koolstof beklede oppervlakken. “En om dat te doen, dwingen we atomen om zich te assembleren op een manier die ze normaal niet zouden doen. Een van de grootste uitdagingen van het veld is om betrouwbaar hoogwaardig 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 2-D-materialen te testen. Het maakt gebruik van de zeer brede achtergrond in oppervlakte-elektronendiffractie, de Bell-Shaped-Component (BSC) genaamd, die sterk correleert met uniform patroon of “perfect” grafeen.

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

“Deze ontdekking daagt de conventionele wijsheid uit, maar de correlatie tussen dit vreemde fenomeen en grafeen van hoge kwaliteit is onmiskenbaar. In de praktijk zien we dat het zich uitbreidt tot andere hoogwaardige 2-D-materialen die vergelijkbaar zijn met grafeen omdat ze vergelijkbare uniformiteit hebben als een laag, ‘zei Tringides.

Vorig jaar ontdekten Ames Laboratory-onderzoekers door middel van elektronendiffractie met lage energie – een techniek die algemeen wordt gebruikt in de natuurkunde 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 hoogwaardig grafeen dat in wezen op de achtergrond loerde, en werd over het hoofd gezien in gepubliceerd onderzoek omdat het precies het tegenovergestelde was van wat algemeen wordt aanvaard in diffractiestudies – dat alleen scherpe, heldere diffractievlekken aanwezig mochten zijn. Omdat die bevinding contra-intuïtief was, was verder onderzoek vereist onder verschillende experimentele omstandigheden en om de oorsprong van de BSC te begrijpen, zei Tringides.

Ten eerste groeiden de wetenschappers grafeen door het te gloeien of te verwarmen door een reeks hoge temperaturen, en door de groei van de BSC-diffractie te vergelijken met de groei van de andere, algemeen aanvaarde indicator van scherpe diffractievlekken. De evolutie van de brede diffractieachtergrond kwam nauw overeen met die van de scherpere plek, wat bewees dat ze gecorreleerd zijn. Ten tweede experimenteerde de groep met het afzetten van metaalatomen (in dit geval dysprosium) op het oppervlak en onder het grafeen. Dit afzettingsproces wordt intercalatie genoemd en is een van de manieren waarop wetenschappers 2D-materialen kunnen aanpassen voor specifieke functies. In het tweede experiment maten wetenschappers de groei van de BSC tijdens intercalatie – zwak als de metaalatomen eerst ongeordend waren, en toenemend naarmate de metaalatomen op hun plaats klikken tussen het grafeen en het substraat, waardoor een uniforme laag ontstaat. Dus hoewel de BSC geen diffractiepatroon uit het leerboek was, is de oorzaak de kwantummechanica uit het leerboek – aangezien elektronen in een enkele laag worden geperst, moeten hun golfvectoren zich verspreiden, waardoor het brede diffractiepatroon ontstaat.

Het onderzoek wordt verder besproken in de paper “High Layer Uniformity of Two-Dimensional Materials Demonstrisingly from Broad Features in Surface Electron Di ff raction”, geschreven door S. Chen, M. Horn von Hoegen, PA Thiel, A. Kaminski, B. Schrunk , T. Speliotis, EH Conrad en MC Tringides; en gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry Letters.