Det som ligger under växande öar av grafen är viktigt för dess egenskaper, enligt en ny studie som leds av Rice University.

Forskare vid Rice analyserade mönster av grafen-ett enkelatomtjockt kolark-odlat i en ugn via kemisk ångavsättning. De upptäckte att det geometriska förhållandet mellan grafen och substratet, det underliggande materialet på vilket kol samlar atom för atom, avgör hur öns former framträder.

Studien som leds av Rice -teoretiska fysikern Boris Yakobson och postdoktor Vasilii Artyukhov visar hur det kristallina arrangemanget av atomer i substrat som vanligtvis används vid grafentillväxt, såsom nickel eller koppar, styr hur öar bildas. Resultaten dök upp idag Fysiska granskningsbrev .

"Experiment som visar grafens fantastiska elektroniska egenskaper utförs vanligtvis på mekaniskt exfolierad grafen, "Sa Artyukhov." Det begränsar dig när det gäller flingans storlek, och det är dyrt om du behöver mycket material. Så alla försöker hitta ett bättre sätt att odla det från gaser som metan (källan till kolatomer) med hjälp av olika substratmetaller. Problemet är, de resulterande kristallerna ser olika ut från substrat till substrat, även om det är allt grafen. "

Yakobson sa att forskare ofta ser udda-formade grafenöar som odlas genom kemisk ångavsättning, "och vi har alla undrat varför. I allmänhet, detta är mycket förvånande, för i grafen, de sex sidorna ska vara identiska. "Trianglar och andra former, han sa, är exempel på symmetribrytning; system som annars skulle producera vanliga former "går sönder" och producerar mindre regelbundna.

Grafen bildas i en kemisk ångutfällningsugn när kolatomer som flyter i den heta dimman lägger sig på metallsubstratet. Atomerna kopplas samman i karakteristiska sexsidiga ringar, men när en ö växer, dess övergripande form kan ha olika former, från hexagoner till långsträckta hexagoner till mer slumpmässiga strukturer, även trianglar. Forskarna fann en stark korrelation mellan öns slutliga form och arrangemang av atomer i den utsatta ytan av substratet, som kan vara triangulär, fyrkant, rektangulärt eller på annat sätt.

Forskarna fann att enskilda atomer följer vägkartan som anges av substratet, som illustreras av en mikroskopbild av två korn av kopparsubstrat som har två olika former av grafen, även om tillväxtförhållandena är identiska. På ett säd, grafenöarna är alla nästan perfekta hexagoner; på den andra, de sexkantiga öarna är långsträckta och inriktade.

"Bilden visar att de grundläggande tillväxtmekanismerna är desamma, men skillnaden på öarna beror på de subtila skillnaderna mellan kristallografiska ytor på grafen och koppar, "Sa Yakobson.

Eftersom grafenens kanter är så viktiga för dess elektroniska egenskaper, varje steg mot att förstå dess tillväxt är viktigt, han sa. Oavsett om en grafenkant slutar som en sicksack, en fåtölj eller något däremellan beror på hur enskilda atomer faller i jämvikt när de balanserar energier mellan sina närliggande kolatomer och underlagets.

Atomerna i metaller bildar ett specifikt arrangemang, ett kristallgitter, såsom ett rent koppargitter kallat "ansiktscentrerad kubik". Men enskilda korn kan ha olika ytor i polykristallint material som kopparfolier som ofta används som grafen-tillväxtsubstrat.

"Beroende på hur du skär en kub på mitten, du kan sluta med kvadrat, rektangulära eller till och med triangulära ytor, "Sa Artyukhov." Ytan på kopparfolie kan ha olika texturer på olika platser. Elektronmikroskopi visade att alla grafenöar som växer på samma kopparkorn tenderar att ha en liknande form, till exempel, alla perfekta hexagoner, eller alla långsträckta. "

Han sa att öarna ärver symmetrin på kornens ytor och växer snabbare i vissa riktningar, vilket förklarar den säregna fördelningen av former.

När tillväxtprocessen är tillräckligt lång, öarna smälter samman till större grafenfilmer. Där kolgallren inte ligger i linje med varandra, atomerna söker jämvikt och bildar korngränser som styr det större arkets elektroniska egenskaper. Forskare - och industrier - önskar sätt att kontrollera grafens halvledande egenskaper genom att kontrollera gränserna.

"En god förståelse för denna process ger anvisningar om hur man organiserar öns ömsesidiga orientering, "Sa Yakobson." Så när de smälter kan du, av design, skapa särskilda spannmålsgränser med särskilt intressanta egenskaper. Så denna forskning, mer än att bara tillfredsställa vår nyfikenhet, är mycket användbart. "

Han föreslog att samma beräkningar kan gälla för tillväxten av andra tvådimensionella material som hexagonal bornitrid eller molybdendisulfid och dess släktingar, också mycket studerat för deras potential för elektronik.

Tidningens medförfattare är Yufeng Hao, forskare vid Columbia University, och Rodney Ruoff, chef för Centrum för flerdimensionella kolmaterial vid Ulsan National Institute of Science and Technology, Ulsan, Sydkorea.