Utöver dess förmåga att leda elektroner nästan utan motstånd, nanomaterialet grafen har också fantastiska mekaniska egenskaper, inklusive hög styrka som en dag kan göra den användbar i lättvikt, robusta strukturer. Men detta material är inte utan brister - inklusive en familj av blomliknande defekter som kan försämra dess elektroniska och mekaniska egenskaper.

I en artikel publicerad i tidskriften Physical Review B, forskare vid Georgia Institute of Technology och National Institute of Standards and Technology (NIST) har beskrivit en familj av sju potentiella defektstrukturer som kan förekomma i ark av grafen och avbildade exempel på den lägsta energidefekten i familjen.

Defekterna kan uppstå för att hjälpa till att lindra mekanisk stress i grafens kolatom-bikakestruktur genom att tillåta atomer att spridas ut och uppta lite mer utrymme. Sådan stress kan uppstå under tillväxten av grafen eller genom att töja ut grafenarket.

"För en ingenjör som är intresserad av grafenens mekaniska egenskaper för att skapa atomtjocka membran, till exempel, det skulle vara mycket viktigt att förstå den här typen av egenskaper, som kan ge upphov till plastisk deformation av materialet, sade Phillip First, en av tidningens medförfattare och en professor vid Georgia Tech School of Physics. "Till exempel det kan vara så att dessa defekter bara är en del av den kinetiska vägen till misslyckande för ett ansträngt ark grafen."

För elektroniska ansökningar, defekterna kan avleda elektroner och orsaka tillbakaspridning som skulle öka materialets motstånd – som en sten i en bäck saktar ner vattenflödet. Dock, Först säger att förbättrade tillväxttekniker som utvecklats sedan defektstudien började kan eliminera denna oro.

"Med tillväxtteknikerna som nu har utvecklats med kiselkarbid, vi ser vanligtvis inte dessa defekter, ” noterade han. "Defekterna uppstår på material som vi vet är av lägre kvalitet på grund av tillväxtförhållandena eller substratförberedelsen."

Defekter kan uppstå på grund av förflyttning av kolatomer vid höga temperaturer, förklarade NIST-stipendiat Joseph Stroscio. Omarrangemang av grafen som kräver minsta mängden energi innebär att man byter från de vanliga sexlediga kolringarna till strukturer som innehåller antingen fem eller sju atomer. NIST-forskarna har upptäckt att genom att stränga fem- och sju-ledade ringar tillsammans i slutna slingor skapar en ny typ av defekt eller korngränsslinga i bikakegittret.

Enligt NIST-forskaren Eric Cockayne, tillverkningsprocessen spelar en stor roll för att skapa defekterna.

"När grafenet bildas under hög värme, delar av gallret kan lossna och rotera, " sa han. "När grafenet svalnar, dessa roterade sektioner länkar tillbaka till gallret, men på ett oregelbundet sätt. Det är nästan som om fläckar av grafenet klipptes ut med sax, vriden medurs, och gjord för att passa tillbaka på samma plats. Bara det verkligen inte passar, det är därför vi får dessa blommor."

Än så länge, bara blomdefekten, som består av sex par fem- och sjuatomsringar, har observerats. Modellering av grafens atomstruktur av NIST-teamet tyder på att det kan finnas en veritabel bukett av blomliknande konfigurationer. Dessa konfigurationer – totalt sju – skulle var och en ha sina egna unika mekaniska och elektriska egenskaper, sa Cockayne.

Hoppas först att teamet kan fortsätta att studera defekterna, både för att lära sig om deras bildning kan kontrolleras och för att klargöra defekternas roll i materialets mekaniska egenskaper.

"Grafen är starkt och lätt, så de mekaniska egenskaperna är av stort intresse, ” noterade han. "Att förstå hur det går sönder är en intressant fråga som har viktiga konsekvenser. Men även med dessa defekter, grafen är fortfarande spektakulärt starkt."