Le regioni rosse raffigurano pieghe in grafene, mentre le regioni verdi sono domini relativamente piatti. Le "colline e valli" presenti nella nuvola di elettroni possono fungere da dossi che impediscono il flusso di carica attraverso il grafene. Idealmente, per l'elettronica ad alte prestazioni, si vorrebbe una topografia del Midwest:completamente piatta, che sembrerebbe tutto verde. Credito:Brian J. Schultz e Christopher J. Patridge, Università a Buffalo
Un gruppo di ricerca guidato dai chimici dell'Università di Buffalo ha utilizzato sorgenti di luce di sincrotrone per osservare le nuvole di elettroni sulla superficie del grafene, producendo una serie di immagini che rivelano come pieghe e increspature nel notevole materiale possano danneggiarne la conduttività.
La ricerca, programmato per apparire il 28 giugno su Nature Communications, è stato condotto da UB, l'Istituto nazionale di standard e tecnologia (NIST), la Fonderia Molecolare del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), e SEMATECH, un consorzio globale di produttori di semiconduttori.
Grafene, il materiale più sottile e resistente che l'uomo conosca, consiste in un singolo strato di atomi di carbonio legati in una disposizione a nido d'ape.
La speciale struttura del grafene lo rende incredibilmente conduttivo:in circostanze ideali, quando il grafene è completamente piatto, le cariche elettriche lo attraversano senza incontrare molti ostacoli, disse Sarbajit Banerjee, uno dei ricercatori UB che ha condotto lo studio in Comunicazioni sulla natura .
Ma non sempre le condizioni sono ottimali.
Le nuove immagini catturate da Banerjee e dai suoi colleghi mostrano che quando il grafene è piegato o piegato, anche la nuvola di elettroni che riveste la sua superficie si deforma, rendendo più difficile il passaggio di una carica elettrica.
"Quando il grafene è piatto, le cose si muovono semplicemente lungo la nuvola. Non devono saltare su nulla. È come un'autostrada, " disse Banerjee, un assistente professore di chimica. "Ma se lo pieghi, ora ci sono alcuni ostacoli; immagina la differenza tra un'autostrada appena asfaltata e una con lavori di costruzione lungo la lunghezza che obbligano a cambi di corsia.
"Quando abbiamo ripreso la nuvola di elettroni, puoi immaginare questo grande cuscino soffice, e abbiamo visto che il cuscino è piegato qua e là, " disse Banerjee, il cui premio alla CARRIERA della National Science Foundation ha fornito il finanziamento principale per il progetto.
Per creare le immagini e comprendere i fattori che perturbano la nuvola di elettroni, Banerjee e i suoi partner hanno impiegato due tecniche che richiedevano l'uso di un sincrotrone:microscopia a raggi X a trasmissione a scansione e struttura fine di assorbimento di raggi X vicino al bordo (NEXAFS), un tipo di spettroscopia di assorbimento. Gli esperimenti sono stati ulteriormente supportati da simulazioni al computer eseguite su cluster di calcolo presso il Berkeley Lab.
Le linee tratteggiate mostrano regioni distintive di grafene che sono inclinate ad angoli diversi. I raggi X morbidi dipingono una vista a volo d'uccello della nuvola di elettroni del grafene. Credito:Brian J. Schultz, Università a Buffalo
"Utilizzando simulazioni, possiamo comprendere meglio le misurazioni effettuate dai nostri colleghi utilizzando i raggi X, e prevedere meglio come i sottili cambiamenti nella struttura del grafene influenzano le sue proprietà elettroniche, "ha detto David Prendergast, uno scienziato del personale nella struttura di teoria delle nanostrutture presso la fonderia molecolare del Berkeley Lab. "Abbiamo visto che le regioni del grafene erano inclinate con angoli diversi, come guardare dall'alto i tetti spioventi di tante case stipate l'una accanto all'altra."
Oltre a documentare come le pieghe del grafene distorcono la sua nuvola di elettroni, il team di ricerca ha scoperto che i contaminanti che aderiscono al grafene durante la lavorazione persistono nelle valli dove il materiale è irregolare. Tali contaminanti distorcono in modo univoco la nuvola di elettroni, cambiando la forza con cui la nuvola è legata agli atomi sottostanti.
Le proprietà insolite del grafene hanno generato entusiasmo in settori tra cui l'informatica, energia e difesa. Gli scienziati dicono che la conduttività elettrica del grafene corrisponde a quella del rame, e che la conduttività termica del grafene è la migliore di qualsiasi materiale conosciuto.
Ma il nuovo, Lo studio condotto da UB suggerisce che le aziende che sperano di incorporare il grafene in prodotti come inchiostri conduttivi, transistor ultraveloci e pannelli solari potrebbero trarre vantaggio da una maggiore ricerca di base sul nanomateriale. Processi migliorati per il trasferimento di fogli piatti di grafene su prodotti commerciali potrebbero aumentare notevolmente l'efficienza di tali prodotti.
"Molte persone sanno come coltivare il grafene, ma non si capisce bene come trasferirlo su qualcosa senza che si pieghi su se stesso, " Banerjee ha detto. "E 'molto difficile mantenere dritto e piatto, e il nostro lavoro sta davvero portando a casa il motivo per cui è così importante".
"Il grafene sarà molto importante nell'elettronica, " ha detto il dottorando Brian Schultz, uno dei tre studenti laureati UB che sono stati autori principali sul Comunicazioni sulla natura carta. "Sarà uno dei materiali più conduttivi mai trovati, e ha la capacità di essere utilizzato come transistor ad altissima frequenza o come possibile sostituto per i chip di silicio, la spina dorsale dell'elettronica commerciale attuale.
"Quando è stato scoperto il grafene, le persone erano così entusiaste che fosse un materiale così buono che le persone volevano davvero utilizzarlo e correre il più velocemente possibile, Schultz ha continuato. "Ma quello che stiamo dimostrando è che devi davvero fare alcune ricerche fondamentali prima di capire come elaborarlo e come inserirlo nell'elettronica".
