(Phys.org)—Forskning om de elektroniska egenskaperna hos supermaterialet grafen kan ta oss ett steg närmare att ta det från laboratoriet till att utveckla det för användning i kommersiella produkter. Forskare vid SuperSTEM-anläggningen vid UK Science and Technology Facilities Councils Daresbury Laboratory har, för första gången, kunnat observera förändringar i grafenens elektroniska struktur eftersom det är bindningar med ett främmande element tillsatt bara en atom i taget. Resultaten har publicerats i tidskriften, Nanobokstäver .

Isolerade första gången 2004 vid University of Manchester, 'mirakel' material grafen är det lättaste, starkaste och mest ledande materialet som människan känner till, med stor kommersialiseringspotential på grund av dess mekaniska styrka och oöverträffade elektroniska egenskaper. Det är 200 gånger starkare än stål men, på bara en atom tjock och därför tvådimensionell, det är extremt svårt att manipulera för att utnyttja dessa fördelar, eller att binda det med andra material för att utveckla säljbara produkter. Kommersiellt har det potential att ha applikationer som sträcker sig från telekommunikation till energiteknik och elektronik. Den kan också leda elektricitet en miljon gånger bättre än koppar och är starkare än andra befintliga ledare.

En viktig fråga som måste åtgärdas innan grafen kan appliceras på en kommersiell produkt är att den saknar en funktion som kallas "bandgap", vilket innebär att, i praktiken, det skulle vara nästan omöjligt att "stänga av" en elektronisk transistor baserad på ren grafen. Ett av de lovande sätten att konstruera ett bandgap i grafen och övervinna denna begränsning är genom kemisk modifiering, känd som doping.

Dock, som ett tvådimensionellt material, grafen är all yta och är därför helt exponerad för sin miljö och starkt påverkad av sin omgivning. De minsta strukturella variationerna kan ha enorma effekter på dess egenskaper.

Leds av SuperSTEMs professor Quentin Ramasse, tillsammans med forskare från universiteten i Leeds och Manchester, teamet har nu kunnat observera de minsta variationer som uppstår när ett ark grafen är dopat med en enda kiselatom.

Professor Quentin Ramasse, Vetenskaplig direktör på SuperSTEM, sa:

"Vad vi har visat här handlar inte om vilken speciell atomgrafen som ska dopas med för att utnyttja dess elektriska egenskaper, men att vi har förmågan att se, i minsta detalj, exakt hur en enskild främmande atom integreras i grafenet - oavsett om den ryms in sömlöst, eller om det förvränger grafengittret med så lite som 10 biljondelar av en meter, och viktigast av allt hur distorsionerna och det exakta bindningsarrangemanget påverkar den elektroniska strukturen hos den atomen och dess miljö. Sådana små förändringar i bindningen av dessa element kan i sin tur avsevärt påverka det makroskopiska beteendet hos grafenarket, och särskilt dess elektriska respons, så det är viktigt att bokstavligen kunna ta fingeravtryck av bindningen av dessa material, en atom i taget. Detta kan bana väg för forskning för att identifiera vilka atomer som kommer att binda till grafen mest lämpligt. Man kan säga att detta markerar början på experimentell fysikalisk kemi på en atomnivå."

Den exakta karakteriseringen av bindningen av enstaka atomer är avgörande för utvecklingen av praktiska tillämpningar av tvådimensionella material, som grafen. I december kan förbundskanslern George Osborne, tillkännagav £21,5 miljoner i finansiering via EPSRC till de mest lovande grafenrelaterade forskningsprojekten vid brittiska universitet, i planer på att öka "tillverkbarheten" av grafen.