(PhysOrg.com) - Genom att kontrollera den skiktade tillväxten av grafen - en relativt "ny" kolform som bara är en enda atom tjock - har forskare vid Brookhaven National Laboratory avslöjat spännande detaljer om materialets överlägsna elektriska och optiska egenskaper. Deras resultat kan hjälpa till att placera grafen som nästa generations material för framtida datorer, digitala skärmar, och elektroniska sensorer.

"Grafen är ett material som verkligen har potential att ersätta kisel inom elektronikindustrin, "sa Peter Sutter, en materialvetare i Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials. "Det är tunt, transparent, stark, och mycket ledande - alla extremt tilltalande egenskaper för allt från datorchips till pekskärmar och solceller. "

En av de största utmaningarna för forskare är att ta reda på hur man producerar grafen i stora mängder. Den enklaste metoden är att skala bort enstaka ark grafen från grafit, ett material som består av många grafenlager, med tejpbitar. Men denna metod ger bara små, taggade flingor som inte är användbara för de flesta applikationer.

På Brookhaven, Sutters grupp odlar grafen på ett metallsubstrat, en teknik som kan producera ettskiktsark över mycket stora ytor, tusentals gånger större än bitarna gjorda med "Scotch tape" -metoden. Först, en enda kristall av rutenium värms upp till temperaturer högre än 1000 grader Celsius medan den utsätts för en kolrik gas. Vid höga temperaturer, kolatomer kan pressa in i utrymmen i metallkristallen, liknande vatten som tas upp av en svamp. När kristallen långsamt svalnar, dessa kolatomer drivs ut till metallens yta, där de bildar enskilda lager av grafen. Antalet lager som bildas kan styras av mängden kolatomer som initialt absorberades i ruteniumkristallen.

"En av de unika aspekterna av denna metod är att vi kan styra materialets tjocklek, växande grafen lager för lager, "Sutter sa." Detta har gjort det möjligt för oss att se hur materialets struktur och elektroniska egenskaper förändras när enskilda atomkollager läggs till substratet ett i taget. "

Eftersom forskargruppen ville bestämma hur metallsubstratet påverkar grafens egenskaper, det var viktigt att övervaka skiktmaterialets egenskaper när det växte - en förmåga som tillhandahålls av ett speciellt mikroskop vid NSLS -strålning U5.

"Först, vi kunde se hur materialet växte, och då, utan att flytta det från systemet, vi kunde slå på fotonstrålen och bestämma dess elektroniska struktur, "Stutter sade." Det är oerhört värdefullt att göra allt i samma miljö. "

För att få mätningar för materialet med olika antal grafenark, gruppen använde mikrovinkelupplöst fotoelektronspektroskopi, en teknik som gör det möjligt för forskare att studera den elektroniska strukturen i mycket små intresseområden.

Deras fynd, publicerad den 8 juli, 2009 upplaga av Nano bokstäver , var överraskande.

"Vi fann att om ett enda grafenark odlas på en metall som rutenium, metallen binder mycket starkt till kolatomerna och stör de karakteristiska egenskaperna som normalt finns i isolerad grafen, "Sutter sa." Men dessa egenskaper återkommer i efterföljande lager som odlas på substratet. "

Med andra ord, det första grafenskiktet som odlas på rutenium mättar metallsubstratet, så att resten av lagren kan återta sina normala egenskaper.

"Som ett resultat av denna tillväxtprocess, en stapel med två lager fungerar som ett isolerat monoskikt av grafen och en stapel med tre lager som ett isolerat tvåskikt, Sa Sutter.

Gruppens resultat, som också inkluderar Brookhaven -forskarna Mark Hybertsen, Jurek Sadowski, och Eli Sutter, lägger grunden för framtida grafenproduktion för avancerad teknik, och hjälper forskare att förstå hur metaller - till exempel i enhetskontakter - förändrar grafens egenskaper.