Forskare från Rice University har kommit med en uppsättning beräkningar för att förutsäga hur grafen växer i processen kallad kemisk ångavsättning. Diagrammet mot en illustration av grafen som växer på en nickelkatalysator visar den initiala energibarriären en kolatom måste övervinna för att gå med i blomningen; efterföljande atomer står inför en allt mindre energibarriär tills processen börjar igen för nästa rad. Upphovsman:Vasilii Artyukhov/Rice University
(Phys.org) - Som små fartyg som hittar hamn i en storm, kolatomer dockar med den större ön grafen på ett förutsägbart sätt. Men fram till ny forskning av forskare vid Rice University, ingen hade verktygen för att göra den typen av förutsägelser.
Elektrisk ström skjuter rakt över ett ark med defektfritt grafen med nästan inget motstånd, en funktion som gör materialet mycket attraktivt för ingenjörer som skulle använda det i saker som pekskärmar och annan elektronik, sa Rice -teoretiska fysikern Boris Yakobson. Han är medförfattare till ett nytt papper om grafenbildning som kommer att visas denna vecka i Förfaranden från National Academy of Sciences .
För att undersöka exakt vad som händer på atomnivå, Yakobson och hans Rice-kollegor tittade noga på den nu vanliga processen som kallas kemisk ångavsättning (CVD), där en kolkälla upphettad i en ugn exponeras för en metallkatalysator för att bilda grafen, ett enda atomskikt av rent kol.
Yakobson, Rices Karl F. Hasselmann professor i maskinteknik och materialvetenskap och professor i kemi, och hans kollegor beräknade energierna för enskilda atomer när de ackumuleras för att bilda grafen vid "nanoreaktor" -bryggan där kolånga och katalysator möts. Med hjälp av teorier som länge tillämpats på kristalltillväxt, de bestämde att vid jämvikt, vissa grafenmönster är mer benägna att bildas än andra beroende på vilken katalysator som används.
Ett problem har varit att kanten på ett grafenark dikterar hur - eller till och med om - ström kan fortsätta till en elektrod. Korngränser - övergångar i hexagonernas vinklar som uppträder när grafenöar smälter samman under tillväxt - kan också spåra ur elektroner. Yakobson sa att dessa kanter och gränser bestämmer bladets totala elektroniska, mekaniska och magnetiska egenskaper, så att veta under vilka förhållanden grafen skulle gynna kanter som ser ut som sicksack eller fåtöljer - eller någon vinkel däremellan - är viktigt för forskare som vill odla materialet för användning i elektroniska komponenter.
Yakobson och hans medförfattare, forskningsassistent Vasilii Artyukhov och doktorand Yuanyue Liu, använde sin kunskap om kristalltillväxt för sin nanoreaktorteori. De presenterar en omfattande modell för hur atomer migrerar från råvaran-vanligtvis en kolrik dimma i en CVD-ugn (och ibland, berömt, en kaka) - till katalysatorn och slutligen till grafengitteret.
"På grund av materialkemisers talanger och ansträngningar grafen växer nu som mögel på nästan vad som helst, och från nästan alla råvaror, "Sa Yakobson." Men hur det ser ut och den form det tar är svårt att förstå eller förutsäga.
"Om du spiller lite vatten på en lägenhet, horisontellt bord, det kommer att bilda en liten pöl med cirkulär form, eftersom vatten är isotropiskt - alla riktningar är identiska, och en cirkel har den minsta omkretsen och därför den lägsta energiformen, " han sa.
Men på nanoskala, kolatomer fungerar inte alltid som vatten. "När kol" spillts "på metall, saker blir mer komplicerade, "sa han." Olika riktningar dikterar olika fysiska egenskaper, och som resultat, grafens form kan vara en polygon eller en stjärna eller en blomma. "
Det låter som en kristall växer, en egendom som inte går förlorad på forskarna.
Denna grafik av risforskare visar grafentillväxt via öppna femkantiga fåtöljskanter, med atomer som förenas en efter en för att bilda materialets välbekanta sexkantiga galler. Forskarna analyserade energierna som är involverade i grafenskapande i en studie som kan hjälpa experimenter att odla grafen av bättre kvalitet via kemisk ångavsättning. Upphovsman:Yakobson Lab/Rice University
"Trots den enorma mängden forskning som görs om grafen över hela världen, nästan ingen har hittills behandlat grafensyntes som en kristalltillväxtprocess och utnyttjat den rika teoretiska verktygssats som utvecklades i mitten av 1900-talet för halvledarteknik, "Artyukhov sa." Kristalltillväxtteori är ett stort och etablerat vetenskapsområde, och det finns många fler koncept som kan tillämpas på grafensyntes utöver de första stegen som beskrivs i vårt arbete. "
Den ultimata formen av grafen beror på det subtila samspelet mellan energier och tillväxthastighet. Som vatten, atomer tar vägen till minst motstånd, och den vägen kan förändras på grund av små temperaturförändringar och variationer i kolångdensiteten.
"När kol tillsätts i CVD -tillväxt, olika sidor går fram med olika hastigheter, "Sa Yakobson.
Teamet använde densitetsfunktionell teori för att beräkna bildandet av grafen för alla möjliga kantorienteringar på olika katalysatorer, inklusive nickel, järn, koppar och kobolt. De fann att energinivåerna i atomer kan kartläggas, steg för steg, när de lämnar ångan och förenar gallret vid en nanoreaktor.
Ett ark grafen börjar bildas när de första få kolatomerna ansluter sig till katalysatorn och bildar en kärna runt vilken atomer fortsätter att sedimentera. Grafenen växer i rader när nya atomer läggs till, men raderna har inte raka kanter. Vissa har ett sicksackmönster, andra bildar en mer komplex form som forskare kallar fåtölj. Formen på kantmönstret dikteras av den mest effektiva energianvändningen. Rice-teamet fann att sicksackkanterna vetter mot en högenergibarriär i början av en ny rad, men resten av radens atomer faller snabbt och enkelt i linje. För fåtöljer, den initiala barriären är mindre men förblir densamma för varje efterföljande atom som lägger till.
Sneda kanter - mellan sicksack och fåtölj - växer snabbast av alla, eftersom de har den minsta energibarriären att övervinna för att starta eller slutföra en rad, Sa Liu. Intressant också, han sa, är upptäckten att kolånga med atompar som kallas dimerer kan leda till snabbare grafentillväxt av bättre kvalitet.
Forskarna fann att de släpande sicksackkanterna är en flaskhals som, oberoende av metallsubstratet, hjälper till att bestämma den övergripande formen av en grafenblomning. Andra kinetiska faktorer kan också leda till variationer som producerar stjärnor, blommor eller asymmetriska former.
Forskarna blev förvånade över att finna att öppna femkantiga fåtöljskanter är det mest troliga tillväxtmönstret under jämvikt på järn, kobolt och nickel, medan sicksackkanter var särskilt uttalade på en kopparkatalysator. De hittade också matematiska bevis på att vissa defekter, där fem- och sju-atom-polygonpar ersätter närliggande hexagoner, det är osannolikt att det bildas förutom i ett vakuum, ett orealistiskt scenario för grafentillväxt. Det sätter den nya teorin i linje med Yakobsons tidigare arbete för att visa hur osannolika defekter som ska uppstå vid odling av kolnanorör.
Yakobson sa att teorin går framåt på en som kolväxttillväxten anser kanoniskt-det ångvätska-fasta paradigmet-genom att gå in i minsta detalj.
