De röda områdena visar veck i grafen, medan de gröna regionerna är relativt platta domäner. De "kullar och dalar" som finns i elektronmolnet kan fungera som farthinder som förhindrar laddningsflödet genom grafen. Helst för högpresterande elektronik, man skulle vilja ha en topografi i mellanvästern:helt platt, som skulle se helt grönt ut. Kredit:Brian J. Schultz och Christopher J. Patridge, Universitetet i Buffalo
En forskargrupp ledd av University at Buffalo kemister har använt synkrotronljuskällor för att observera elektronmolnen på grafenytan, producerar en serie bilder som avslöjar hur veck och krusningar i det anmärkningsvärda materialet kan skada dess ledningsförmåga.
Forskningen, planerad att visas den 28 juni i Nature Communications, genomfördes av UB, National Institute of Standards and Technology (NIST), Molecular Foundry vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), och SEMATECH, ett globalt konsortium av halvledartillverkare.
grafen, det tunnaste och starkaste materialet som människan känner, består av ett enda lager av kolatomer kopplade i ett bikakeliknande arrangemang.
Graphens speciella struktur gör den otroligt ledande:Under idealiska omständigheter, när grafen är helt platt, elektriska laddningar rusar igenom den utan att stöta på många hinder, sa Sarbajit Banerjee, en av UB-forskarna som ledde studien i Naturkommunikation .
Men förutsättningarna är inte alltid optimala.
De nya bilderna som Banerjee och hans kollegor fångade visar att när grafen viks eller böjs, elektronmolnet som täcker dess yta blir också skevt, vilket gör det svårare för en elektrisk laddning att ta sig igenom.
"När grafen är platt, saker bara kust längs molnet. De behöver inte hoppa över någonting. Det är som en motorväg, sa Banerjee, en biträdande professor i kemi. "Men om du böjer den, nu finns det några hinder; föreställ dig skillnaden mellan en ny asfalterad motorväg och en med byggnadsarbete längs längden som tvingar fram filbyten.
"När vi avbildade elektronmolnet, du kan föreställa dig den här stora fluffiga kudden, och vi såg att kudden är böjd här och där, sa Banerjee, vars National Science Foundation CAREER-pris gav den primära finansieringen för projektet.
För att skapa bilderna och förstå de faktorer som stör elektronmolnet, Banerjee och hans partners använde två tekniker som krävde användning av en synkrotron:scanning transmission röntgenmikroskopi och near edge röntgenabsorptionsfinstruktur (NEXAFS), en typ av absorptionsspektroskopi. Experimenten stöddes ytterligare av datorsimuleringar utförda på datorkluster vid Berkeley Lab.
Prickade linjer visar distinkta regioner av grafen som är sluttande i olika vinklar. Mjuka röntgenstrålar målar ett fågelperspektiv av elektronmolnet av grafen. Kredit:Brian J. Schultz, Universitetet i Buffalo
"Med hjälp av simuleringar, vi kan bättre förstå de mätningar som våra kollegor gjorde med röntgenstrålar, och bättre förutsäga hur subtila förändringar i strukturen av grafen påverkar dess elektroniska egenskaper, sa David Prendergast, en personalvetare i Theory of Nanostructures Facility på Molecular Foundry på Berkeley Lab. "Vi såg att områden av grafen lutade i olika vinklar, som att titta ner på de sneda taken på många hus packade tätt intill varandra."
Förutom att dokumentera hur veck i grafen snedvrider sitt elektronmoln, forskargruppen upptäckte att föroreningar som klamrar sig fast vid grafen under bearbetning ligger kvar i dalar där materialet är ojämnt. Sådana föroreningar förvränger elektronmolnet på ett unikt sätt, ändra styrkan med vilken molnet är bundet till de underliggande atomerna.
Grafens ovanliga egenskaper har skapat spänning i branscher inklusive datorer, energi och försvar. Forskare säger att grafens elektriska ledningsförmåga matchar den för koppar, och att grafens värmeledningsförmåga är den bästa av alla kända material.
Men den nya, UB-ledd studie tyder på att företag som hoppas kunna införliva grafen i produkter som ledande bläck, ultrasnabba transistorer och solpaneler skulle kunna dra nytta av mer grundforskning om nanomaterialet. Förbättrade processer för att överföra platta ark av grafen till kommersiella produkter kan avsevärt öka dessa produkters effektivitet.
"Många människor vet hur man odlar grafen, men det är inte väl förstått hur man överför det till något utan att det viker sig på sig självt, " sa Banerjee. "Det är väldigt svårt att hålla rak och platt, och vårt arbete tar verkligen hem poängen med varför det är så viktigt."
"Grafen kommer att bli mycket viktigt inom elektronik, " sa doktorand Brian Schultz, en av tre UB doktorander som var huvudförfattare på Naturkommunikation papper. "Det kommer att bli ett av de mest ledande material som någonsin hittats, och den har förmågan att användas som en ultrahögfrekvent transistor eller som en möjlig ersättning för kiselchips, ryggraden i nuvarande kommersiell elektronik.
"När grafen upptäcktes, folk var bara så exalterade över att det var ett så bra material att folk verkligen ville gå med det och springa så fort som möjligt, Schultz fortsatte. "Men det vi visar är att man verkligen måste göra lite grundläggande forskning innan man förstår hur man bearbetar det och hur man får in det i elektroniken."
