(Phys.org) —Graphene, ett material som består av ett gitter av kolatomer, en atom tjock, anses allmänt vara det mest elektriskt ledande materialet som någonsin studerats. Dock, inte all grafen är densamma. Med så få atomer som omfattar hela materialet, arrangemanget av var och en har en inverkan på dess övergripande funktion.

Nu, för första gången, forskare från University of Pennsylvania har använt ett banbrytande mikroskop för att studera sambandet mellan atomgeometrin hos ett grafenband och dess elektriska egenskaper.

En djupare förståelse av detta förhållande kommer att vara nödvändig för design av grafenbaserade integrerade kretsar, datorchips och andra elektroniska apparater.

Studien leddes av professorerna A.T. Charlie Johnson och Marija Drndić, både vid institutionen för fysik och astronomi vid Penns School of Arts &Sciences, tillsammans med Zhengqing John Qi, en medlem av Johnsons labb, och Julio Rodríguez-Manzo från Drndics labb. Sung Ju Hong, då en medlem av Johnsons labb, bidrog också till studien.

Penn-teamet samarbetade med forskare vid Brookhaven National Laboratory, Université Catholique de Louvain i Belgien och Seoul National University i Sydkorea.

Deras studie publicerades i tidskriften Nanobokstäver .

Teamets experiment möjliggjordes av Brookhavens aberrationskorrigerade transmissionselektronmikroskop, eller AC-TEM. Genom att fokusera mikroskopets elektronstråle, forskarna kunde kontrollerat skära ark av grafen till band med bredder så små som 10 nanometer, samtidigt som de hålls anslutna till en elkälla utanför mikroskopet. De kunde sedan använda AC-TEM:s nanoskopiska upplösning för att skilja mellan enskilda kolatomer i dessa band. Denna precisionsnivå var nödvändig för att bestämma hur kolatomerna på kanterna av nanobanden var orienterade.

"Vi relaterar strukturen av grafen - dess atomarrangemang - till dess elektriska transportegenskaper, " sade Drndić. "I synnerhet, vi tittade på kanterna, som vi kunde identifiera geometrin på."

"Grafen ser ut som hönsnät, och du kan skära upp detta hexagonala gitter av kolatomer på olika sätt, producerar olika former på kanten, " sa hon. "Men om du skär det på ett sätt, det kanske beter sig mer som en metall, och, om du skär det på ett annat sätt, det kan vara mer som en halvledare."

För vilken grafen som helst, antingen de spetsiga eller plana sidorna av dess kolhexagoner kan vara vid styckets kant. Där de spetsiga sidorna är vända utåt, kanten har ett "zig-zag"-mönster. Platta sidor ger "fåtölj"-mönster när de är på en kant. Varje given kant kan också visa en blandning av de två, beroende på hur grafenbiten från början skars och hur den kanten försämras under stress.

Eftersom grafennanorbanden var anslutna till en elkälla medan de var inne i AC-TEM, forskarna kunde samtidigt spåra konturerna av banden och mäta deras konduktivitet. Detta gjorde att de två siffrorna kunde korreleras.

"Om du vill använda grafen nanoband i datorchips, till exempel, du måste absolut ha denna information, ", sa Johnson. "Folk har tittat på dessa band under mikroskopet, och människor har mätt sina elektriska egenskaper utan att titta på dem men aldrig båda samtidigt."

Efter att ha studerat nanorbanden med relativt låga nivåer av elektronflöde, forskarna höjde intensiteten, ungefär som att skruva upp en glödlampa med en dimmer. Kombinationen av elektronbombardementet från mikroskopet och den stora mängden elektroner som flödade genom nanorbanden gjorde att deras strukturer gradvis försämrades. När kolbindningar i nanobanden bröts, de blev tunnare och formen på deras kanter förändrades, tillhandahålla ytterligare datapunkter.

"Genom att göra allt inom mikroskopet, Rodríguez-Manzo sa, "vi kan bara följa denna förvandling till slutet, mäta strömmar för nanobanden även när de blir mindre än 1 nanometer i diameter. Det är fem atomer brett."

Denna typ av stresstester är avgörande för den framtida designen av grafenelektronik.

"Vi måste se hur mycket ström vi kan transportera innan dessa nanoband faller isär. Våra data visar att denna siffra är hög jämfört med koppar, " Rodríguez-Manzo sa De svåra förhållandena fick också några av banden att vikas upp på sig själva, producerar nanoskopiska grafenslingor. Serendipitalt, teamet fann att dessa slingor hade önskvärda egenskaper.

"När kanterna lindas runt och bildar öglorna ser vi, "Johnson sa, "det hjälper till att hålla ihop strukturen, och det gör strömtätheten tusen högre än vad som för närvarande är toppmodernt. Den strukturen skulle vara användbar för att skapa sammankopplingar [som är de ledande banorna som kopplar samman transistorer i integrerade kretsar]."

Framtida forskning inom detta område kommer att innebära att direkt jämföra de elektriska egenskaperna hos grafennanorband med olika bredder och kantformer.

"När vi kan klippa dessa nanoband atom för atom, "Drndić sa, "det kommer att finnas mycket mer vi kan uppnå."