La produzione di grafene strutturalmente perfetto e altri materiali 2-D è il segreto per sfruttare le loro potenziali nuove proprietà elettroniche e spintroniche. Ma come facciamo a sapere quando il grafene, il materiale 2-D più studiato, è perfetto, uno strato di atomi uniforme e privo di difetti?

Gli scienziati dell'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno scoperto un indicatore che dimostra in modo affidabile l'alta qualità di un campione, ed era uno che si è nascosto in bella vista per decenni.

I ricercatori stavano studiando campioni di grafene utilizzando la diffrazione elettronica a bassa energia, una tecnica comunemente usata in fisica per studiare la struttura cristallina delle superfici dei materiali solidi.

Ciò che hanno trovato non seguiva le regole di diffrazione accettate.

"La scoperta è un paradosso, " ha detto Michael Tringides, uno scienziato senior dell'Ames Laboratory che studia le proprietà uniche di materiali e metalli 2-D cresciuti sul grafene, grafite, e altre superfici rivestite di carbonio. "La diffrazione da manuale afferma che più un materiale è impeccabile, più nitide e chiare sono le macchie di diffrazione, e i materiali imperfetti hanno bassa intensità, punti di diffrazione più ampi."

Ma nel caso di campioni molto uniformi di grafene, gli studi di diffrazione non solo hanno mostrato i punti acuti previsti, ma anche una banda molto ampia di diffrazione diffusa sullo sfondo.

"Quel risultato non è intuitivo e molto strano, " disse Tringide, "ma troviamo che questo ampio schema di diffrazione è una caratteristica intrinseca del grafene, e quando ce l'hai, hai un ottimo grafene. Questo è un buon modo per misurare quantitativamente la sua perfezione strutturale".

Cosa c'è di più, questo strano schema di diffrazione era presente e visibile negli ultimi 25 anni di pubblicazioni di ricerca sul grafene, e tuttavia ignorato. "Era un grande, fenomeni evidenti, e riproducibile, e ci siamo resi conto che doveva essere estremamente importante in qualche modo, " disse Tringide.

Sebbene sia necessario più lavoro teorico per spiegare completamente i risultati sperimentali, gli scienziati ritengono che l'ampio fenomeno di diffrazione sia causato dal confinamento degli elettroni del grafene all'interno di un singolo strato di atomi. Secondo i fondamenti della meccanica quantistica, poiché la posizione dell'elettrone normale allo strato è nota con precisione, il loro vettore d'onda deve avere una diffusione, che viene trasferito agli elettroni diffratti. Questo effetto è significativo anche per altri tipi di materiali 2-D. Con il continuo e crescente interesse per i materiali 2-D per una varietà di applicazioni, il miglioramento della loro qualità strutturale sarà la chiave per promettere nuove tecnologie, disse Tringide.

"Questo lavoro fornisce un passo importante verso la capacità di ottimizzare con precisione il grafene e altri materiali 2-D, e adattare le loro proprietà per applicazioni specifiche, " Egli ha detto.

La ricerca è ulteriormente discussa nel documento, "Paradosso della diffrazione:uno sfondo di diffrazione insolitamente ampio contraddistingue il grafene di alta qualità, " scritto da S. Chen, M. Horn von Hoegen, P.A. Thiel, e M. C. Tringides; e pubblicato in Revisione fisica B .