Le immagini al microscopio a falsi colori mostrano esempi di grafene cresciuto lentamente, con conseguente grandi patch con cuciture scadenti, e grafene cresciuto più rapidamente, con conseguente patch più piccole con cuciture più strette e prestazioni migliori. (laboratorio Muller)
(Phys.org) - Simile a come i punti più stretti creano una trapunta di qualità migliore, la "cucitura" tra i singoli cristalli di grafene influisce sul modo in cui questi monostrati di carbonio conducono l'elettricità e mantengono la loro forza, I ricercatori di Cornell riferiscono.
La qualità di questa "cucitura" - i confini ai quali i cristalli di grafene crescono insieme e formano fogli - è importante tanto quanto la dimensione dei cristalli stessi, che gli scienziati avevano precedentemente pensato fosse la chiave per produrre un grafene migliore.
I ricercatori, guidato da Jiwoong Park, assistente professore di chimica e biologia chimica e membro del Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science, utilizzato tecniche avanzate di misurazione e imaging per fare queste affermazioni, dettagliato online nella rivista Scienza 1 giugno
Il grafene è un singolo strato di atomi di carbonio, e gli scienziati dei materiali sono impegnati in una sorta di corsa agli armamenti per manipolare e migliorare le sue incredibili proprietà:resistenza alla trazione, alta conduttanza elettrica, e potenziali applicazioni in fotonica, fotovoltaico ed elettronica. I cartoni raffigurano il grafene come un perfetto filo di pollo atomico che si estende all'infinito.
In realtà, il grafene è policristallino; viene coltivato attraverso un processo chiamato deposizione chimica da vapore, in cui piccoli cristalli, o cereali, a caso gli orientamenti crescono da soli e alla fine si uniscono in legami carbonio-carbonio.
Un'immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) di cristalli di grafene che crescono su rame. L'inserto è un'immagine SEM a falsi colori di un dispositivo elettrico costituito da un singolo confine di grano in grafene. (Wei Tsen/Laboratorio del parco)
In un precedente lavoro pubblicato su Nature lo scorso gennaio, il gruppo Cornell aveva usato la microscopia elettronica per paragonare questi fogli di grafene a trapunte patchwork - ogni "toppa" rappresentata dall'orientamento dei grani di grafene (e falsi colorati per renderli belli).
Essi, insieme ad altri scienziati, si chiedeva come avrebbero resistito le proprietà elettriche del grafene in base alla sua natura policristallina. La saggezza convenzionale e alcune precedenti misurazioni indirette avevano portato gli scienziati a supporre che la coltivazione di grafene con cristalli più grandi - meno cerotti - potrebbe migliorare le sue proprietà.
Il nuovo lavoro mette in discussione quel dogma. Il gruppo ha confrontato le prestazioni del grafene in base a diversi tassi di crescita tramite deposizione chimica da vapore; alcuni sono cresciuti più lentamente, e altri, molto velocemente. Hanno scoperto che più reattivo, grafene a crescita rapida, con più patch, in un certo senso si è comportato meglio elettronicamente rispetto al grafene a crescita più lenta con cerotti più grandi.
Come si è scoperto, una crescita più rapida ha portato a cuciture più strette tra i grani, che ha migliorato le prestazioni del grafene, al contrario di grani più grandi che erano tenuti insieme più liberamente.
"Ciò che è importante qui è che dobbiamo promuovere l'ambiente di crescita in modo che i grani si uniscano bene, " Park ha detto. "Quello che stiamo mostrando è che i confini del grano erano una preoccupazione principale, ma potrebbe essere che non importa. Stiamo scoprendo che probabilmente va bene".
Uguale importanza a queste osservazioni erano le complesse tecniche che usavano per effettuare le misurazioni:compito non facile. Un processo di litografia a fascio di elettroni in quattro fasi, sviluppato da Adam Tsen, uno studente laureato in fisica applicata e il primo autore dell'articolo, ha permesso ai ricercatori di posizionare elettrodi sul grafene, direttamente sopra un substrato di membrana di 10 nanometri di spessore per misurare le proprietà elettriche dei bordi dei singoli grani.
"La nostra tecnica dà un tono a come possiamo misurare materiali atomicamente sottili in futuro, " ha aggiunto Parco.
Collaboratori guidati da David A. Muller, professore di fisica applicata e ingegneristica e condirettore del Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science, ha utilizzato tecniche avanzate di microscopia elettronica a trasmissione per aiutare il gruppo di Park a visualizzare il loro grafene per mostrare le differenze nelle dimensioni dei grani.
Il lavoro è stato sostenuto dall'Air Force Office of Scientific Research, e la National Science Foundation attraverso il Cornell Center for Materials Research. La fabbricazione è stata eseguita presso la Cornell NanoScale Science and Technology Facility.
