En ny studie visar att tillgången på väte spelar en viktig roll för att bestämma den kemiska och strukturella sammansättningen av grafenoxid, ett material som har potentiell användning inom nanoelektronik, nano-elektromekaniska system, avkänning, kompositer, optik, katalys och energilagring.

Studien fann också att efter att materialet producerats, dess strukturella och kemiska egenskaper fortsätter att utvecklas i mer än en månad som ett resultat av fortsatta kemiska reaktioner med väte.

Att förstå egenskaperna hos grafenoxid – och hur man kontrollerar dem – är viktigt för att förverkliga potentiella tillämpningar för materialet. För att göra det användbart för nanoelektronik, till exempel, forskare måste inducera både ett elektroniskt bandgap och strukturell ordning i materialet. Att kontrollera mängden väte i grafenoxid kan vara nyckeln till att manipulera materialegenskaperna.

"Grafenoxid är ett mycket intressant material eftersom det är mekaniskt, optiska och elektroniska egenskaper kan kontrolleras med hjälp av termiska eller kemiska behandlingar för att ändra dess struktur, sa Elisa Riedo, en docent vid School of Physics vid Georgia Institute of Technology. "Men innan vi kan få de fastigheter vi vill ha, vi måste förstå de faktorer som styr materialets struktur. Denna studie ger information om vätes roll i reduktionen av grafenoxid vid rumstemperatur."

Forskningen, som studerade grafenoxid framställd från epitaxiell grafen, rapporterades den 6 maj i tidskriften Naturmaterial . Forskningen sponsrades av National Science Foundation, Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) vid Georgia Tech, och av det amerikanska energidepartementet.

Grafenoxid bildas genom användning av kemiska och termiska processer som huvudsakligen tillför två syrehaltiga funktionella grupper till gittret av kolatomer som utgör grafen:epoxid och hydroxyltyper. Georgia Tech-forskarna började sina studier med flerlagers expitaxial grafen odlad ovanpå en kiselkarbidskiva, en teknik som tagits fram av Walt de Heer och hans forskargrupp vid Georgia Tech. Deras prover inkluderade i genomsnitt tio lager grafen.

Efter att ha oxiderat de tunna filmerna av grafen med den etablerade Hummers-metoden, forskarna undersökte sina prover med hjälp av röntgenfotoemissionsspektroskopi (XPS). Under cirka 35 dagar, de märkte att antalet epoxidfunktionella grupper minskade medan antalet hydroxylgrupper ökade något. Efter ungefär tre månader, förhållandet mellan de två grupperna nådde slutligen jämvikt.

"Vi fann att materialet förändrades av sig självt vid rumstemperatur utan någon extern stimulering, sa Suenne Kim, en postdoktor vid Riedos laboratorium. "Den grad som den var instabil vid rumstemperatur var överraskande."

Nyfiken på vad som kan orsaka förändringarna, Riedo och Kim tog sina mått till Angelo Bongiorno, en biträdande professor som studerar beräkningsmaterialkemi vid Georgia Techs School of Chemistry and Biochemistry. Bongiorno och doktorand Si Zhou studerade förändringarna med hjälp av densitetsfunktionsteori, vilket antydde att väte kunde kombineras med syre i de funktionella grupperna för att bilda vatten. Det skulle gynna en minskning av epoxidgrupperna, vilket är vad Riedo och Kim såg experimentellt.

"Elisas grupp gjorde experimentella mätningar, medan vi gjorde teoretiska beräkningar, " sa Bongiorno. "Vi kombinerade vår information för att komma på idén att det kanske var väte inblandat."

Misstankarna bekräftades experimentellt, både av Georgia Tech-gruppen och av ett forskarlag vid University of Texas i Dallas. Denna information om vätes roll för att bestämma strukturen av grafenoxid föreslår ett nytt sätt att kontrollera dess egenskaper, Bongiorno noterade.

"Under syntesen av materialet, vi skulle potentiellt kunna använda detta som ett verktyg för att ändra strukturen, " sa han. "Genom att förstå hur man använder väte, vi kan lägga till det eller ta ut det, vilket gör det möjligt för oss att justera den relativa fördelningen och koncentrationen av epoxid- och hydroxyltyperna som styr materialets egenskaper."

Riedo och Bongiorno erkänner att deras material – baserat på epitaxiell grafen – kan skilja sig från den oxid som produceras av exfolierad grafen. Att producera grafenoxid från flingor av materialet innebär ytterligare bearbetning, inklusive upplösning i en vattenlösning och sedan filtrering och avsättning av materialet på ett substrat. Men de tror att väte spelar en liknande roll för att bestämma egenskaperna hos exfolierad grafenoxid.

"Vi har förmodligen en ny form av grafenoxid, en som kan vara mer användbar kommersiellt, även om samma processer också borde ske inom den andra formen av grafenoxid, sa Bongiorno.

Nästa steg är att förstå hur man kontrollerar mängden väte i epitaxiell grafenoxid, och vilka förhållanden som kan vara nödvändiga för att påverka reaktioner med de två funktionella grupperna. I sista hand, som kan ge ett sätt att öppna ett elektroniskt bandgap och samtidigt erhålla ett grafenbaserat material med elektrontransportegenskaper jämförbara med de för orörd grafen.

"Genom att kontrollera egenskaperna hos grafenoxid genom denna kemiska och termiska reduktion, vi kan komma fram till ett material som förblir tillräckligt nära grafen i struktur för att bibehålla den ordning som krävs för de utmärkta elektroniska egenskaperna, samtidigt som man har det bandgap som behövs för att skapa transistorer, "Sade Riedo. "Det kan vara så att grafenoxid är sättet att komma fram till den typen av material."