Kagome-grafeen belooft opwindende eigenschappen

Onderzoekers over de hele wereld zijn op zoek naar nieuwe synthetische materialen met speciale eigenschappen zoals supergeleiding, dat wil zeggen de geleiding 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 kagome-weefkunst, waarbij manden in hetzelfde patroon worden geweven.

Kagome-rooster met nieuwe eigenschappen

Onderzoekers van het Department of Physics en het Swiss Nanoscience Institute van de Universiteit van Basel, in samenwerking met de Universiteit van Bern, hebben nu voor het eerst kagome-grafeen geproduceerd en bestudeerd, zoals ze melden in het tijdschrift 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, bracht het team een ​​precursor aan op een zilversubstraat door middel van opdamping en vervolgens verhit het om een ​​organometallisch tussenproduct op het metalen oppervlak te vormen. Verdere verhitting produceerde kagome grafeen, dat uitsluitend bestaat uit koolstof- en stikstofatomen en hetzelfde regelmatige patroon van zeshoeken en driehoeken vertoont.

Sterke interacties tussen elektronen

“We gebruikten scanning tunneling en atoomkrachtmicroscopen 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 kunnen onderzoekers de structurele en elektrische eigenschappen van materialen onderzoeken met behulp van een kleine punt – in dit geval was de punt afgesloten met individuele koolmonoxidemoleculen.

Daarbij observeerden de onderzoekers dat elektronen met een bepaalde energie, die wordt geselecteerd door een elektrische spanning aan te leggen, worden “gevangen” tussen de driehoeken die in het kristalrooster van kagome-grafeen verschijnen. 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 werden uitgevoerd. “Het veroorzaakt sterke interacties tussen de elektronen – en deze interacties vormen op hun beurt de basis voor ongebruikelijke verschijnselen, zoals geleiding zonder weerstand.”

Verdere onderzoeken gepland

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

In daaropvolgende onderzoeken zal het team het kagome-rooster losmaken van het metalen substraat en de elektronische eigenschappen ervan verder bestuderen. “De platte bandstructuur die in de experimenten werd geïdentificeerd, ondersteunt de theoretische berekeningen die voorspellen dat opwindende elektronische en magnetische verschijnselen kunnen optreden in kagome-roosters. In de toekomst zou kagome-grafeen kunnen fungeren als een sleutelbouwsteen in duurzame en efficiënte elektronische componenten”, zegt Ernst Meyer.