Dieper in grafeen kijken met behulp van regenboogverstrooiing

Grafeen is een tweedimensionaal wondermateriaal dat is voorgesteld voor een breed scala aan toepassingen in energie, technologie, constructie en meer sinds het voor het eerst werd geïsoleerd uit grafiet in 2004.

Deze enkele laag koolstofatomen is sterk en toch flexibel, licht maar met een hoge weerstand, met berekend dat grafeen 200 keer sterker is dan staal en vijf keer lichter dan aluminium.

Grafeen klinkt misschien perfect, maar dat is het letterlijk niet. Geïsoleerde monsters van deze 2D-allotroop zijn niet perfect vlak, met een golvend oppervlak. Grafeen kan ook structurele defecten vertonen die in sommige gevallen schadelijk kunnen zijn voor de functie en in andere gevallen essentieel kunnen zijn voor de gekozen toepassing. Dat betekent dat de gecontroleerde implementatie van defecten een fijnafstemming van de gewenste eigenschappen van tweedimensionale kristallen van grafeen mogelijk zou kunnen maken.

In een nieuw blad binnen Het Europese fysieke tijdschrift DMilivoje Hadžijojić en Marko Ćosić, beiden van het Vinča Instituut voor Nucleaire Wetenschappen, Universiteit van Belgrado, Servië, onderzoeken de regenboogverstrooiing van fotonen die door grafeen gaan en hoe het de structuur en onvolkomenheden van dit wondermateriaal onthult.

Hoewel er andere manieren zijn om de onvolkomenheden van grafeen te onderzoeken, hebben deze nadelen. Raman-spectroscopie kan bijvoorbeeld sommige soorten defecten niet onderscheiden, terwijl transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie kristalstructuurdefecten met een uitstekende resolutie kan karakteriseren, maar de energetische elektronen die het gebruikt, kunnen het kristalrooster aantasten.

“Het regenboogeffect is niet zo zeldzaam in de natuur. Het werd ook ontdekt in verstrooiing van de atomen en moleculen. Het werd gedetecteerd in ionenverstrooiingsexperimenten op dunne kristallen. We hebben theoretisch een verstrooiing van protonen met lage energie op grafeen bestudeerd en aangetoond dat regenboogeffect ook in dit proces optreedt, “zegt Hadžijojić. “Bovendien hebben we aangetoond dat grafeenstructuur en thermische trillingen kunnen worden bestudeerd via proton-regenboogverstrooiingseffect.”

Met behulp van een proces dat regenboogverstrooiing wordt genoemd, observeerde het duo de diffractie die ze opnamen terwijl deze door het grafeen ging en het gecreëerde “regenboog” -patroon.

Kenmerkend voor het diffractiepatroon, vonden de onderzoekers dat perfect grafeen een regenboogpatroon gaf waarin het middelste deel een enkele lijn was en het binnenste deel een patroon vertoonde met zeshoekige symmetrie, een symmetrie die afwezig was in imperfect grafeen.

De wetenschappers concludeerden ook dat specifieke defecttypes hun eigen verschillende regenboogpatronen produceren, en dit zou in toekomstig onderzoek kunnen worden gebruikt om defecttypes in een grafeenmonster te identificeren en te karakteriseren.

“Onze benadering is vrij uniek en zou mogelijk kunnen dienen als een nuttige aanvullende karakteriseringstechniek van grafeen en soortgelijke tweedimensionale materialen”, zegt Hadžijojić.