Atomiskt kol (svarta sfärer) förångas vid över 2, 300 grader Celsius och avsatt på en silverplattform där det bildas flingor av grafen. Ljusare regioner motsvarar grafentillväxt och silver avbildas i de mörkare regionerna.
(Phys.org) —Silver, träffa grafen. Super stark, super lätt, nästan helt transparent och en av de bästa elledarna som någonsin upptäckts, grafen är ett enatomtjockt ark av kolatomer som har sina fantastiska egenskaper att vara tvådimensionellt.
grafen, möta silver. Silver är en högkvalitativ ädelmetall som korroderar mycket långsamt i fuktig luft och som vanligtvis inte interagerar kemiskt med andra ämnen. grafen, under tiden, är en eftertraktad plattform för ny fysik och enhetsapplikationer.
"Du har ett material, silver, som är riktigt bra på att begränsa ljus och en annan, grafen, det är riktigt bra med att effektivt flytta elektroner, " sa Northwestern Universitys doktorand Brian Kiraly, som upptäckte den nya processen som gjorde tillväxten av grafen på silver möjlig.
Forskare vid Department of Energy's Argonne National Laboratory, i samarbete med forskare vid Northwestern Universit, är de första att odla grafen på silver, som hittills utgjort en stor utmaning för många inom området. En del av frågan har att göra med egenskaperna hos silver; den andra involverar processen genom vilken grafen odlas.
Kemisk ångavsättning är för närvarande industristandarden för odling av grafen. Tekniken tillåter kolväten, som metan eller eten, att sönderdelas på en het plattform för att bilda kolatomer som blir till grafen. Dock, den här tekniken fungerar inte med en silverplattform.
"Den traditionella metoden att sönderdela kolväte på en övergångsmetall fungerade inte, sa Nathan Guisinger, en stabsforskare vid Argonne's Center for Nanoscale Materials. "Metanet kommer inte att brytas ner, det kommer bara att slå det heta silvret och studsa iväg och förbli metan, så det finns ingen kolkälla för att faktiskt odla grafen."
Vid denna tidpunkt, att ta reda på hur man odlar grafen på silver, forskarna behövde förstå materialets atomära och molekylära egenskaper. Till exempel, atomärt kol avdunstar vid extremt höga temperaturer - över 2, 400 grader Celsius – vilket tvingar forskarna att ta hänsyn till ett antal olika parametrar för att skapa ett lager en atom tjockt.
Dessutom, medan grafen konventionellt odlas vid temperaturer på 1, 000 grader C eller högre, den nya Argonne-Northwestern-tekniken odlar den vid en lägre temperatur på 750 grader, ge forskare fler möjligheter att arbeta med materialet. Denna metod saktar också ner processen för att bestämma rätt tillväxthastighet och distribution för ett enda lager av kolatomer som landar på silvret.
En tredimensionell rendering av grafen som visar kontinuerlig tillväxt på en plattform. Ljusare färger motsvarar något högre relativa positioner. Vågor visar bindningarna mellan kolatomer i bikakegittret.
Det första steget i att odla grafenskiktet var att se till att silversubstratet var "atomiskt rent" - en hård standard att uppfylla.
"Det är väldigt svårt att göra en atomär plattform, Guisinger sa. "Nästan alla plattformar som utsätts för luft kommer att täckas med ett vattenskikt och oxideras." För att förhindra att detta fenomen uppstår, forskarna arbetar i en specialdesignad miljö med ultrahögt vakuum.
För att initialt rengöra plattformen, Kiraly använde en teknik som kallas "sputter annealing". Det är här plattformen som används för att odla grafenen sprayas med joner som tuggar upp ytan och gör den från allt organiskt eller oorganiskt material. Nästa steg är att glödga metallen, en process "som läker det och möjliggör atomiskt rena och plana ytor, sa Kiraly.
Efter en rad undersökningar, forskarna upptäckte att de framgångsrikt hade deponerat ett enda lager grafen på silver.
Uppmuntrad av detta resultat, forskarna hoppas kunna visa hur man lager grafen med andra enatomtjocka material, som silicen, i staplade atomlager för att skapa hybridmaterial.
På grund av silvers utmärkta optiska egenskaper, Kiraly föreställer sig denna forskning med tillämpningar i detektorer.
"Konventionellt, du kan göra saker med både optiska och elektroniska komponenter till dem, som i optoelektronikenheter, ", sa Kiraly. "Allt som en fotodetektor eller en solcell har någon typ av ljusinteraktion som motsvarar en elektronisk effekt eller vice versa."
Det finns ett ökat intresse för att flytta grafen från labbet till lättare, mer energieffektiva konsumentenheter. University of Manchester i England, till exempel, kommer att avsluta sitt National Graphene Institute nästa år till ett belopp av £61 miljoner.
"Med upptäckten av hur man gör grafen, nu pågår en jakt på fler tvådimensionella material. När de väl är upptäckta, vi vill veta hur man kombinerar dem, sa Guisinger.
Men för nu, det är upp till forskare som Guisinger och Kiraly att ta reda på hur dessa atomstora bitar passar ihop för att skapa nästa tekniska genombrott.
Arbetet beskrivs i ett papper, "Tillväxt med fast källa och karakterisering av grafen i atomär skala på Ag(111)", publiceras i tidskriften Naturkommunikation .
