Rice och Osaka-forskare har kommit på en enkel metod för att hitta föroreningar på atomtjock grafen. Genom att lägga grafen på ett lager indiumfosfid, som avger terahertzvågor när den exciteras av en laserpuls, de kan mäta och kartlägga förändringar i dess elektriska ledningsförmåga. Kredit:Rice och Osaka universitet
Grafen kan vara segt, men de som hanterar det får vara ömma. Miljön som omger det atomtjocka kolmaterialet kan påverka dess elektroniska prestanda, enligt forskare vid Rice och Osaka universitet som har kommit på ett enkelt sätt att upptäcka föroreningar.
Eftersom det är så lätt att av misstag införa föroreningar i grafen, laboratorier ledda av fysikerna Junichiro Kono från Rice och Masayoshi Tonouchi från Osakas Institute of Laser Engineering upptäckte ett sätt att upptäcka och identifiera out-of-place molekyler på dess yta genom terahertz-spektroskopi.
De förväntar sig att upptäckten är viktig för tillverkare som överväger användningen av grafen i elektroniska enheter.
Forskningen publicerades denna vecka av Nature's open access online-tidskrift Vetenskapliga rapporter . Det möjliggjordes av det risbaserade programmet NanoJapan, genom vilken amerikanska studenter genomför sommarforskarpraktik i japanska labb.
Till och med en enda molekyl av ett främmande ämne kan kontaminera grafen tillräckligt för att påverka dess elektriska och optiska egenskaper, sa Kono. Tyvärr (och kanske ironiskt nog) som inkluderar elektriska kontakter.
"Traditionellt, för att mäta ledningsförmåga i ett material, man måste fästa kontakter och sedan göra elektriska mätningar, sa Kono, vars labb är specialiserat på terahertzforskning. "Men vår metod är kontaktlös."
En amplitudkarta över terahertzstrålning som sänds ut från grafenbelagd indiumfosfid visar var syremolekyler har lagt sig på ytan efter exponering för luft under några veckor. Den blåa vid punkt 1 indikerar hög polarisation på grund av adsorptionen av syremolekyler, medan apelsinen vid punkt 2 är elektroniskt ekvivalent med bar indiumfosfid. Forskningen vid universiteten Rice och Osaka gör det möjligt att på ett enkelt sätt upptäcka föroreningar på grafen. Kredit:Rice och Osaka universitet
Det är möjligt eftersom föreningen indiumfosfid avger terahertzvågor när den exciteras. Forskarna använde det som ett substrat för grafen. Att träffa det kombinerade materialet med femtosekundpulser från en nära-infraröd laser fick indiumfosfiden att avge terahertz tillbaka genom grafenet. Ofullkomligheter så små som en herrelös syremolekyl på grafenen plockades upp av en spektrometer.
"Förändringen i terahertz-signalen på grund av adsorption av molekyler är anmärkningsvärd, " Kono sa. "Inte bara intensiteten utan också vågformen av emitterad terahertzstrålning förändras totalt och dynamiskt som svar på molekylär adsorption och desorption. Nästa steg är att utforska den ultimata känsligheten hos denna unika teknik för gasavkänning."
Tekniken kan mäta både lokaliseringen av kontaminerande molekyler och förändringar över tid. "Lasern tar gradvis bort syremolekyler från grafenet, ändra dess densitet, och det kan vi se, " sa Kono.
Experimentet involverade att odla orörd grafen via kemisk ångavsättning och överföra den till ett indiumfosfidsubstrat. Laserpulser genererade koherenta skurar av terahertzstrålning genom ett inbyggt elektriskt ytfält av indiumfosfidsubstratet som förändrades på grund av laddningsöverföring mellan grafenen och de kontaminerande molekylerna. Terahertzvågen, när det visualiseras, speglade förändringen.
De experimentella resultaten är en varning för elektroniktillverkare. "För alla framtida enhetsdesigner som använder grafen, vi måste ta hänsyn till omgivningens påverkan, " sa Kono. Grafen i vakuum eller inklämt mellan icke-kontaminerande lager skulle förmodligen vara stabilt, men exponering för luft skulle förorena det, han sa.
Rice- och Osaka-labben fortsätter att samarbeta i ett projekt för att mäta terahertz-konduktiviteten hos grafen på olika substrat, han sa.
