Mikroskopibilder med falska färger visar exempel på grafen som växt långsamt, resulterar i stora fläckar med dåliga sömmar, och grafen växte snabbare, vilket resulterar i mindre lappar med tätare sömmar och bättre prestanda. (Muller lab)
(Phys.org) -- På samma sätt som tightare stygn ger ett täcke av bättre kvalitet, "häftningen" mellan individuella grafenkristaller påverkar hur väl dessa kolmonoskikt leder elektricitet och behåller sin styrka, Cornell-forskare rapporterar.
Kvaliteten på denna "sömnad" - gränserna vid vilka grafenkristaller växer ihop och bildar ark - är lika viktig som storleken på själva kristallerna, som forskare tidigare trodde var nyckeln till att göra bättre grafen.
Forskarna, leds av Jiwoong Park, biträdande professor i kemi och kemisk biologi och medlem av Kavli-institutet vid Cornell for Nanoscale Science, använde avancerade mätnings- och bildtekniker för att göra dessa påståenden, detaljerad online i tidskriften Vetenskap 1 juni.
Grafen är ett enda lager av kolatomer, och materialforskare är engagerade i ett slags kapprustning för att manipulera och förbättra dess fantastiska egenskaper - draghållfasthet, hög elektrisk ledningsförmåga, och potentiella tillämpningar inom fotonik, solceller och elektronik. Tecknade serier visar grafen som en perfekt atomär kycklingtråd som sträcker sig i det oändliga.
I verkligheten, grafen är polykristallin; det odlas via en process som kallas kemisk ångavsättning, i vilka små kristaller, eller spannmål, i slumpmässiga riktningar växer av sig själva och förenas så småningom i kol-kol-bindningar.
En bild med svepelektronmikroskop (SEM) av grafenkristaller som växer på koppar. Insättningen är en falsk SEM-bild av en elektrisk enhet som består av en enda korngräns i grafen. (Wei Tsen/Park lab)
I tidigare arbete publicerat i Nature i januari förra året, Cornell-gruppen hade använt elektronmikroskopi för att likna dessa grafenark med lapptäcken -- varje "lapp" representerades av orienteringen av grafenkornen (och falskt färgade för att göra dem vackra).
De, tillsammans med andra forskare, undrade hur grafens elektriska egenskaper skulle hålla sig baserat på dess polykristallina natur. Konventionell visdom och några tidigare indirekta mätningar hade fått forskare att anta att växande grafen med större kristaller - färre fläckar - kan förbättra dess egenskaper.
Det nya verket ifrågasätter den dogmen. Gruppen jämförde hur grafen presterade baserat på olika tillväxthastigheter via kemisk ångavsättning; vissa växte de långsammare, och andra, väldigt snabbt. De fann att ju mer reaktivt, snabbväxande grafen, med fler patchar, på vissa sätt fungerade bättre elektroniskt än den långsammare tillväxten grafen med större fläckar.
Som det blev, snabbare tillväxt ledde till tätare sömmar mellan kornen, vilket förbättrade grafenens prestanda, i motsats till större korn som hölls mer löst samman.
"Det som är viktigt här är att vi måste främja tillväxtmiljön så att kornen sys ihop väl, ", sa Park. "Vad vi visar är att korngränser var ett huvudproblem, men det kan vara så att det inte spelar någon roll. Vi finner att det förmodligen är okej."
Lika viktiga för dessa observationer var de komplexa tekniker de använde för att göra mätningarna - ingen lätt uppgift. En fyrstegs elektronstrålelitografiprocess, utvecklad av Adam Tsen, en doktorand i tillämpad fysik och tidningens första författare, tillät forskarna att placera elektroder på grafen, direkt ovanpå ett 10 nanometer tjockt membransubstrat för att mäta elektriska egenskaper hos enstaka korngränser.
"Vår teknik sätter tonen för hur vi kan mäta atomärt tunna material i framtiden, " lade Park till.
Samarbetspartners ledda av David A. Muller, professor i tillämpad och teknisk fysik och meddirektör för Kavli-institutet vid Cornell for Nanoscale Science, använde avancerade transmissionselektronmikroskopitekniker för att hjälpa Parks grupp att avbilda sitt grafen för att visa skillnaderna i kornstorlekarna.
Arbetet stöddes av Air Force Office of Scientific Research, och National Science Foundation genom Cornell Center for Materials Research. Tillverkning utfördes vid Cornell NanoScale Science and Technology Facility.
