Door het controleren van de gelaagde groei van grafeen - een relatief "nieuwe" vorm van koolstof die slechts een enkel atoom dik - onderzoekers van Brookhaven National Laboratory hebben ontdekt intrigerende details over superieur materiaal van de elektrische en optische eigenschappen. Hun bevindingen kunnen helpen positie van grafeen als de volgende generatie materiaal voor toekomstige computers, digitale displays, en elektronische sensoren.
Van links naar rechts, Jurek Sadowski, Eli Sutter, en Peter Sutter
"Grafeen is een materiaal dat echt heeft het potentieel om silicium te vervangen in de elektronica-industrie", aldus Peter Sutter, een materiaal wetenschapper in Brookhaven het Center for Functional nanomaterialen. "Het is dun, transparant, sterk, en zeer geleidend - allemaal zeer aantrekkelijke kenmerken voor alles, van computerchips tot schermen en zonnecellen te raken."
Een van de grootste uitdagingen voor onderzoekers is het uitzoeken hoe grafeen in grote hoeveelheden te produceren. De eenvoudigste methode is af te pellen losse vellen van grafeen uit grafiet, een materiaal dat bestaat uit vele lagen grafeen, met stukjes tape. Maar deze methode levert slechts kleine, puntige vlokken die niet bruikbaar zijn voor de meeste toepassingen.
Op Brookhaven, Sutter groep groeit grafeen op een metalen substraat, een techniek die single-layer platen kunnen produceren over zeer grote gebieden, duizenden malen groter dan de stukken gemaakt met de 'Scotch tape "-methode. Eerst wordt een enkel kristal van ruthenium verhit tot temperaturen van meer dan 1000 graden Celsius, terwijl wordt blootgesteld aan een koolstof-rijke gas. Bij hoge temperaturen, koolstof-atomen zijn in staat te knijpen in ruimten binnen de metaal-kristal, vergelijkbaar met water worden genomen door een spons. Omdat het kristal is langzaam afgekoeld, worden deze koolstofatomen uitgezet naar het oppervlak van het metaal, waar ze vorm afzonderlijke lagen van grafeen. Het aantal gevormde lagen kan worden gecontroleerd door de hoeveelheid koolstof-atomen in eerste instantie opgenomen in het ruthenium kristal.
"Een van de unieke aspecten van deze methode is dat we de dikte van het materiaal controle, groeit grafeen laag voor laag," aldus Sutter. "Dit heeft ons toegestaan om te zien hoe de structuur en elektronische eigenschappen van het materiaal te veranderen als enkele atomaire lagen koolstof worden toegevoegd aan de ondergrond een voor een tijd."
Omdat de onderzoeksgroep wilde om te bepalen hoe het metalen substraat van invloed op de eigenschappen van grafeen, was het belangrijk om het gelaagde materiaal eigenschappen zoals het was gegroeid monitor - een mogelijkheid die door een speciale microscoop bij de Nationale Synchrotron Light Source.
"Eerst waren we in staat om te kijken hoe het materiaal groeide, en dan, zonder zich te verplaatsen uit het systeem, we konden overschakelen op het foton balk en de elektronische structuur te bepalen," Stutter gezegd. "Het is zeer waardevol om alles te doen in dezelfde omgeving."
Voor het verkrijgen van metingen voor het materiaal met verschillende aantallen van grafeen vellen, de groep gebruikte micro-hoek-opgelost foto-elektron spectroscopie, een techniek die het mogelijk maakt onderzoekers de studie van de elektronische structuur van zeer kleine regio's van belang.
Hun bevindingen, gepubliceerd in het 08 juli 2009 editie van Nano Letters, waren verrassend.
"Wij vonden dat als een enkel vel grafeen is geteeld op een metalen, zoals ruthenium, de metalen bindt zeer sterk aan de koolstofatomen en verstoort de karakteristieke eigenschappen die normaal in geïsoleerde grafeen," zei Sutter. "Maar die eigenschappen weer opduiken in de daaropvolgende lagen gegroeid op de ondergrond."
Met andere woorden, de eerste laag grafeen geteeld op ruthenium satiates het metalen substraat, waardoor de rest van de lagen op hun normale eigenschappen terug te vorderen.
"Als gevolg van dit groeiproces, een twee-laags stack gedraagt zich als een geïsoleerde monolaag van grafeen en een drie-laags stack gedraagt zich als een geïsoleerd bilaag, 'zei Sutter.
De bevindingen van de groep, waartoe ook Brookhaven onderzoekers Mark Hybertsen, Jurek Sadowski, en Eli Sutter, legt basis voor toekomstige grafeen productie van geavanceerde technologieën en helpt onderzoekers begrijpen hoe metalen - bijvoorbeeld in het apparaat contacten - de eigenschappen van grafeen.