(Phys.org) —Elektronmikroskopi vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory ger oöverträffade synpunkter på de enskilda atomerna i grafen, erbjuder forskare en chans att låsa upp materialets fulla potential för användning från motorförbränning till konsumentelektronik.

Grafenkristaller isolerades första gången 2004. De är tvådimensionella (en atom i tjocklek), hårdare än diamanter och mycket starkare än stål, ger oöverträffad styvhet, elektriska och termiska egenskaper. Genom att titta på atom- och bindningskonfigurationerna för enskilda grafenatomer, forskare kan föreslå sätt att optimera material så att de är bättre lämpade för specifika applikationer.

I ett papper publicerat i Fysiska granskningsbrev , ett team av forskare från Oak Ridge National Laboratory och Vanderbilt University använde aberrationskorrigerade skanningöverföringselektronmikroskopi för att studera atom- och elektronstrukturen för kiselföroreningar i grafen.

"Vi har använt nya experimentella och beräkningsverktyg för att avslöja bindningsegenskaperna hos enskilda föroreningar i grafen. Till exempel, vi kan nu skilja mellan en icke-kolatom som är tvådimensionellt eller tredimensionellt bunden i grafen. Faktiskt, vi kunde äntligen direkt visualisera en bindningskonfiguration som förutspåddes på 1930 -talet men aldrig har observerats experimentellt, "sa ORNL-forskaren Juan-Carlos Idrobo.

Elektroner i omloppsbana runt en atom faller i fyra stora kategorier - s, p, d och f - baserat på faktorer inklusive symmetri och energinivåer.

"Vi observerade att kisel-d-tillstånd endast deltar i bindningen när kislet är tvådimensionellt samordnat, "Idrobo sa." Det finns många element som krom, järn, och koppar där d-tillstånden eller d-elektronerna spelar en dominerande roll för att bestämma hur elementet bindar i ett material. "

Genom att studera grafens atomära och elektroniska struktur och identifiera eventuella föroreningar, forskare kan bättre förutsäga vilka elementära tillägg som kommer att förbättra materialets prestanda.

Lite förändring av den kemiska sammansättningen av grafen kan anpassa materialet, vilket gör den mer lämplig för en mängd olika applikationer. Till exempel, ett elementärt tillägg kan göra materialet till en bättre ersättning för platina -katalysatorerna i bilar, medan en annan kan låta den fungera bättre i elektroniska enheter eller som ett membran.

Graphene har potential att ersätta den inre funktionen hos elektroniska prylar som människor använder varje dag på grund av dess förmåga att leda värme och elektricitet och dess optiska transparens. Det erbjuder ett billigare och rikligare alternativ till indium, en begränsad resurs som används i stor utsträckning i den genomskinliga ledande beläggningen som finns i nästan alla elektroniska displayenheter som digitala displayer i bilar, TV, bärbara datorer och handhållna prylar som mobiltelefoner, surfplattor och musikspelare.

Forskare förväntar sig att bildteknikerna som demonstreras vid ORNL ska användas för att förstå atomstrukturer och bindningskarakteristika för atomer i andra tvådimensionella material, för.