Il grafene e altre sostanze spesse un solo atomo sono una categoria di materiali meravigliosi, con ricercatori di tutto il mondo che studiano le loro proprietà elettroniche per potenziali applicazioni in tecnologie diverse come le celle solari, nuovi semiconduttori, sensori, e accumulo di energia.

La sfida più grande per la progettazione di questi materiali monostrato o 2-D in tutti i loro innumerevoli potenziali usi è la necessità di una perfezione e uniformità atomo per atomo che può essere difficile e scrupoloso da raggiungere su scale così piccole, e anche difficile da valutare.

"Stiamo cercando di essere più intelligenti della natura nell'assemblare questi materiali, " ha detto Michael C. Tringides, uno scienziato senior presso l'Ames Laboratory del Dipartimento di Energia degli Stati Uniti e professore di fisica presso la Iowa State University, che indaga le proprietà uniche di materiali e metalli 2-D coltivati ​​su grafene, grafite, e altre superfici rivestite di carbonio. "E per farlo, stiamo costringendo gli atomi ad assemblarsi in modi che normalmente non farebbero. Una delle principali sfide del settore è produrre in modo affidabile grafene di alta qualità e altri materiali simili".

Tringides e altri scienziati dell'Ames Laboratory hanno scoperto e confermato un metodo che potrebbe servire come modo semplice ma affidabile per testare la qualità del grafene e di altri materiali 2-D. Sfrutta il background molto ampio nella diffrazione elettronica superficiale, chiamato Bell-Shaped-Component (BSC) che è fortemente correlato a un modello uniforme, o grafene "perfetto".

Comprendere la correlazione ha implicazioni per un controllo di qualità affidabile dei materiali 2D in un ambiente di produzione.

"Questa scoperta sfida la saggezza convenzionale, ma la correlazione tra questo strano fenomeno e il grafene di alta qualità è inequivocabile. Nell'applicazione pratica, lo vediamo estendersi ad altri materiali 2-D di alto interesse che sono simili al grafene nell'avere un'uniformità simile di un singolo strato, " disse Tringide.

L'anno scorso, I ricercatori dell'Ames Laboratory hanno scoperto attraverso la diffrazione elettronica a bassa energia, una tecnica comunemente usata in fisica per studiare la struttura cristallina delle superfici dei materiali solidi, che ampi schemi di diffrazione sono un indicatore che dimostra in modo affidabile l'alta qualità di un materiale 2-D. Era una caratteristica del grafene di alta qualità che si nascondeva essenzialmente sullo sfondo, ed era stato trascurato nelle ricerche pubblicate perché era l'esatto opposto di ciò che è generalmente accettato dagli studi di diffrazione, che solo nitide, dovrebbero essere presenti punti luminosi di diffrazione. Poiché quella scoperta era controintuitiva, sono state necessarie ulteriori indagini in diverse condizioni sperimentali e per comprendere l'origine del BSC, disse Tringide.

Primo, gli scienziati hanno coltivato il grafene mediante ricottura, o riscaldandolo, attraverso una gamma di alte temperature, e confrontando la crescita della diffrazione BSC insieme alla crescita dell'altro, indicatore generalmente accettato di punti di diffrazione acuti. L'evoluzione dello sfondo ad ampia diffrazione rispecchiava da vicino quella del punto più nitido, che ha dimostrato che sono correlati. In secondo luogo, il gruppo ha poi sperimentato la deposizione di atomi di metallo (in questo caso disprosio) sulla superficie e al di sotto del grafene. chiamato intercalazione, questo processo di deposizione è uno dei modi in cui gli scienziati possono personalizzare i materiali 2D per funzioni specifiche. Nel secondo esperimento, gli scienziati hanno misurato la crescita del BSC durante l'intercalazione, debole quando gli atomi di metallo sono inizialmente disordinati, e poi aumentando man mano che gli atomi di metallo scattano in posizione tra il grafene e il substrato, creando uno strato uniforme. Quindi, mentre il BSC non era un modello di diffrazione da manuale, la sua causa è la meccanica quantistica da manuale:poiché gli elettroni vengono schiacciati in un singolo strato, i loro vettori d'onda devono diffondersi, creando il modello di diffrazione ampio.

La ricerca è ulteriormente discussa nel documento "High Layer Uniformity of Two-Dimensional Materials Demonstrated Surprisingly from Broad Features in Surface Electron Diffraction, " scritto da S. Chen, M. Horn von Hoegen, P.A. Thiel, A. Kaminski, B. Schrunk, T. Speliotis, E.H. Conrad, e M. C. Tringides; e pubblicato in Journal of Physical Chemistry Letters .