Denna vecka, en internationell grupp forskare rapporterar om ett genombrott i arbetet med att karakterisera grafens egenskaper icke-invasivt samtidigt som de skaffar information om dess svar på strukturella påfrestningar.

Med hjälp av Raman-spektroskopi och statistisk analys, gruppen lyckades ta mätningar i nanoskala av spänningen som finns vid varje pixel på materialets yta. Forskarna fick också en högupplöst bild av grafenytans kemiska egenskaper.

Resultaten, säger Slava V. Rotkin, professor i fysik och även i materialvetenskap och teknik vid Lehigh University, skulle potentiellt kunna göra det möjligt för forskare att övervaka belastningsnivåer snabbt och exakt när grafen tillverkas. Detta kan i sin tur hjälpa till att förhindra bildandet av defekter som orsakas av belastning.

"Forskare visste redan att Ramanspektroskopi kunde få implicit användbar information om stam i grafen, ", säger Rotkin. "Vi visade uttryckligen att man kan kartlägga stammen och samla information om dess effekter.

"Dessutom, med hjälp av statistisk analys, vi visade att det är möjligt att lära sig mer om fördelningen av spänningen inuti varje pixel, hur snabbt spänningsnivåerna förändras och effekten av denna förändring på grafenens elektroniska och elastiska egenskaper."

Gruppen redovisade sina resultat i Naturkommunikation i en artikel med titeln "Ramanspektroskopi som sond för töjningsvariationer i nanometerskala i grafen."

Förutom Rotkin, artikeln skrevs av forskare från RWTH/Aachen University och Jülich Research Center i Tyskland; Université Paris i Frankrike; Universidade Federal Fluminense i Brasilien; och National Institute for Materials Science i Japan.

Grafen är det tunnaste materialet som vetenskapen känner till, och en av de starkaste också. Ett 1-atoms tjockt ark av kol, grafen var det första 2-dimensionella materialet som någonsin upptäckts. Efter vikt, det är 150 till 200 gånger starkare än stål. Den är också flexibel, tät, praktiskt taget transparent och en suverän ledare av värme och elektricitet.

2010, Andre Geim och Konstantin Novoselov vann Nobelpriset i fysik för sina innovativa experiment med grafen. Använd vanlig tejp, de två brittiska fysikerna lyckades skala lager av grafen från grafit – ingen lätt uppgift med tanke på att 1 millimeter grafit består av 3 miljoner lager grafen.

Under det decennium eller så sedan Geim och Novoselov började publicera resultaten av sin forskning om grafen, materialet har hittat sin väg till flera applikationer, allt från tennisracketar till smartphone-pekskärmar. 2013 års marknad för grafen i USA, enligt en artikel från 2014 i Nature, uppskattades till 12 miljoner dollar.

Flera hinder hindrar ytterligare kommersialisering av grafen. En av dessa är förekomsten av defekter som belastar grafens gitterstruktur och negativt påverkar dess elektroniska och optiska egenskaper. Relaterat till detta är svårigheten att producera högkvalitativt grafen till låg kostnad och i stora kvantiteter.

"Grafen är stabilt och flexibelt och kan expandera utan att gå sönder, säger Rotkin, som tillbringade hösten 2013 med att arbeta vid RWTH/University of Aachen. "Men den har rynkor, eller bubblor, på dess yta, som ger ytan en kuperad känsla och stör potentiella applikationer."

Ett lager av grafen görs vanligtvis på ett substrat av kiseldioxid genom en process som kallas kemisk ångavsättning. Materialet kan spännas av föroreningar som uppstår under processen eller för att grafenet och substratet har olika värmeutvidgningskoefficienter och därmed svalnar och krymper i olika takt.

För att bestämma egenskaperna hos grafen, gruppen använde Raman-spektroskopi, en kraftfull teknik som samlar upp ljus som sprids från ett materials yta. Gruppen applicerade också ett magnetfält för att få ytterligare information om grafenet. Magnetfältet styr beteendet hos elektronerna i grafen, gör det möjligt att tydligare se effekterna av Raman-spektroskopin, säger Rotkin.

"Raman-signalen representerar "fingeravtrycket" av grafenens egenskaper, " sa Rotkin. "Vi försöker förstå påverkan av magnetfältet på Raman-signalen. Vi varierade magnetfältet och märkte att varje Raman-linje i grafenet förändrades som svar på dessa variationer."

Den typiska rumsliga upplösningen för "Raman-kartan" av grafen är cirka 500 nanometer (nm), eller bredden på laserpunkten, gruppen rapporterade i Naturkommunikation . Denna upplösning gör det möjligt att mäta variationer i töjningen på en mikrometerskala och bestämma den genomsnittliga belastningen på grafenet.

Genom att utföra en statistisk analys av Raman-signalen, dock, gruppen rapporterade att den kunde mäta töjningen vid varje pixel och kartlägga töjningen, och variationerna i stam, en pixel i taget.

Således, gruppen rapporterade, den kunde "skilja mellan töjningsvariationer på mikrometerskala, som kan extraheras från rumsligt upplösta Raman-kartor, och töjningsvariationer i nanometerskala, som är på längdskalor i sub-fläckstorlek och inte direkt kan observeras med Raman-avbildning, men anses vara viktiga spridningskällor för elektronisk transport."

Gruppen producerade sina grafenprover med kemisk ångdeposition (CVD) vid RWTH/University of Aachen.