Ofullkomligheter i de vanliga atomarrangemangen i kristaller bestämmer många av egenskaperna hos ett material, och deras diffusion ligger bakom många mikrostrukturella förändringar i fasta ämnen. Dock, avbildning av icke-repeterande atomarrangemang är svårt i konventionella material. Nu, forskare vid universitetet i Wien har direkt avbildat spridningen av en fjärilformad atomfel i grafen, det nyligen upptäckta tvådimensionella undermaterialet, över långa bildsekvenser. Resultaten publiceras i den prestigefyllda tidskriften Naturkommunikation .

Defekter i atomskala finns alltid i material. För konventionella material är de dolda inuti ett stort antal perfekt arrangerade atomer, förutom på ytan. Dock, situationen är annorlunda när det gäller lågdimensionella material som grafen.

Grafen är ett bikakeliknande arrangemang av kolatomer endast en kolatom tjock. Sedan upptäckten 2004, flera anmärkningsvärda egenskaper hos detta material har uppmätts. Till exempel, den är starkare än diamant och leder elektricitet bättre än koppar, men är ändå transparent och anmärkningsvärt flexibel. Eftersom alla atomer i grafen är på ytan, individuella atomer och eventuella defekter i strukturen är direkt synliga i ett högupplöst elektronmikroskop, men samtidigt interagerar de lätt med omgivningen.

Defekten forskarna koncentrerade sig på i den nyligen genomförda studien i Wien är en dubbel vakans som bildas när två atomer saknas i kristallen. I den mest stabila formen av denna defekt omvandlas grafengittrets hexagoner till ett arrangemang av fyra pentagoner och fyra heptagoner (fem- och sjuledade kolringar, respektive) som ser ut som en fjäril i atomskala. Studien utfördes med Nion UltraSTEM 100 mikroskop, som installerades i Wien först förra året. Kombinationen av ultrahögt vakuum och låg accelerationsspänning i denna enhet var nyckelkomponenter för framgången för studien. I tidigare experiment, defekterna har alltid snabbt utvecklats till mer komplexa strukturer eller omvandlats tillbaka till kristallint grafen, förhindrar således den kontinuerliga avbildningen av deras diffusion under långa tidsperioder. Nu, defekterna förblev stabila under en längre tid vilket möjliggjorde en statistisk analys av deras rörelse.

Forskarna använde mikroskopets elektronstråle för att omvandla defekten mellan olika arrangemang, vilket resulterade i en migrering av strukturen från en bild till nästa. "Det var anmärkningsvärt att för första gången se hur en defekt förvandlas och migrerar i kristallen under flera minuter medan vi tittar på den", säger Jani Kotakoski, huvudförfattaren till studien. En noggrann analys av defektens väg visade att defekten gjorde en slumpmässig vandring genom kristallen. "Vår studie öppnar en ny väg för direkt studie av defektmigrering och diffusion i lågdimensionella material, vilket också kan leda till nya insikter om defektdynamik i fasta ämnen i allmänhet", avslutar han.