(Phys.org) - Forskare och ingenjörer vid University of Wisconsin-Milwaukee (UWM) har upptäckt ett helt nytt kolbaserat material som är syntetiserat från "underbarnet" i kolfamiljen, grafen. Upptäckten, som forskarna kallar "grafenmonoxid (GMO), ” driver kolmaterial närmare att inleda nästa generations elektronik.

grafen, ett enatoms tjockt lager av kol som liknar ett platt ark av kycklingnät i nanoskala, har potential att revolutionera elektroniken eftersom den leder elektricitet mycket bättre än guld- och koppartrådarna som används i nuvarande enheter. Transistorer gjorda av kisel närmar sig den minimistorlek vid vilken de kan vara effektiva, vilket betyder att enheternas hastighet snart kommer att bottna. Kolmaterial i nanoskala kan vara botemedlet.

För närvarande, applikationer för grafen är begränsade eftersom det är för dyrt att massproducera. Ett annat problem är att tills nu, grafenrelaterade material existerade endast som ledare eller isolatorer.

"En stor drivkraft inom grafenforskningssamhället är att göra materialet halvledande så att det kan användas i elektroniska applikationer, säger Junhong Chen, professor i maskinteknik och medlem i forskargruppen. "Vårt största bidrag i den här studien uppnåddes genom en kemisk modifiering av grafen."

GMO uppvisar egenskaper som gör det lättare att skala upp än grafen. Och, som kisel i den nuvarande generationen av elektronik, GMO är halvledande, nödvändig för att kontrollera den elektriska strömmen i en så stark ledare som grafen. Nu alla tre egenskaperna hos elektrisk ledningsförmåga – ledande, isolerande och halvledande – finns i kolfamiljen, erbjuder nödvändig kompatibilitet för användning i framtida elektronik.

Blandar teori och experiment

Teamet skapade GMO medan de genomförde forskning om beteendet hos ett hybrid nanomaterial konstruerat av Chen som består av kolnanorör (i huvudsak, grafen rullad till en cylinder) dekorerad med nanopartiklar av tennoxid. Chen använder sitt hybridmaterial för att göra högpresterande, energieffektiva och billiga sensorer.

För att avbilda hybridmaterialet när det avkänns, han och fysikprofessor Marija Gajdardziska använde ett högupplöst transmissionselektronmikroskop (HRTEM). Men för att förklara vad som hände, paret behövde veta vilka molekyler som fäste till nanorörets yta, som fäste på tennoxidytan, och hur de förändrades vid anslutning.

Så paret vände sig till fysikprofessorn Carol Hirschmugl, som nyligen banat väg för en metod för infraröd avbildning (IR) som inte bara erbjuder högupplösta bilder av prover, men ger också en kemisk "signatur" som identifierar vilka atomer som interagerar när avkänning sker.

Chen och Gajdardziska visste att de skulle behöva titta på fler fästplatser än vad som finns på ytan av ett kolnanorör. Så de "rullade upp" nanoröret till ett ark grafen för att uppnå en större yta.

Det fick dem att söka efter sätt att göra grafen från sin kusin, grafenoxid (GO), en isolator som kan skalas upp billigt. GO består av lager av grafen staplade ovanpå varandra i en oriktad orientering. Det är föremål för mycket forskning då forskare letar efter billigare sätt att replikera grafens överlägsna egenskaper.

Förbryllande resultat

I ett experiment, de värmde upp GO i vakuum för att minska syre. Istället för att förstöras, dock, kol- och syreatomerna i GO-skikten kom i linje, förvandlar sig själva till de "ordnade, ” halvledande GMO – en koloxid som inte finns i naturen.

Det blev inte det resultat de förväntade sig.

"Vi trodde att syret skulle försvinna och lämna flerskiktsgrafen, så observationen av något annat än det var en överraskning, säger Eric Mattson, doktorand hos Hirschmugl.

Vid olika höga temperaturer, teamet producerade faktiskt fyra nya material som de tillsammans kallar GMO. De fångade video av processen med Selected Area Electron Diffraction (SAED) i ett transmissionselektronmikroskop.

Eftersom GMO bildas i enstaka ark, Gajdardziska säger att materialet kan ha tillämpningar i produkter som involverar ytkatalys. Hon, Hirschmugl och Chen undersöker också dess användning i anoddelarna av litiumjonbatterier, vilket skulle kunna göra dem mer effektiva.

En mödosam process

Men nästa steg är mer vetenskap. Teamet kommer att behöva ta reda på vad som utlöste omorganisationen av materialet, och även vilka förhållanden som skulle förstöra GMO:s bildning.

"I reduktionsprocessen, du förväntar dig att förlora syre, säger Michael Weinert, professor i fysik och chef för UWM:s laboratorium för ytstudier. "Men vi fick faktiskt mer syrehalt. Så vi är vid en punkt där vi fortfarande lär oss mer om det."

Weinert påpekar att de bara har tillverkat GMO i liten skala i ett labb och är inte säkra på vad de kommer att stöta på när de skalar upp det.

Teamet måste vara försiktigt med att beräkna hur elektroner flödade över GMO, han lägger till. Interaktioner som inträffade måste tolkas genom en noggrann process för att spåra strukturindikatorer och sedan eliminera de som inte passade.

"Det var en lång process, säger Weinert, "inte ett av dessa 'Eureka!'-ögonblick."