En nyligen genomförd kvantmekanisk studie av grafen av ett forskarlag vid Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), Sydkorea, har belyst interkalationsmekanismen och vägarna för grafenavkoppling från kopparsubstratet.

Grafenfilmerna, odlade på koppar (Cu) substrat måste tas bort rent utan att lämna rester efter sig, eftersom kvarvarande metalliska föroreningar avsevärt kan förändra grafenens elektroniska och elektrokemiska egenskaper.

Dock, tack vare de senaste framstegen inom grafenöverföringsmetoden, den elektrokemiska korrosionen av grafenbeläggningar på Cu har gjort det möjligt för det monolagertjocka materialet att mekaniskt delamineras utan att väsentligt kompromissa med dess strukturella integritet.

Den nya grafenforskningen från UNIST går i en ny riktning genom att framgångsrikt separera grafen från dess metalltillväxtsubstrat utan hjälp av den självhäftande tejpen. Forskningsresultaten har publicerats i augusti numret av Journal of the American Chemical Society ( JACS ).

I studien, leds av Prof. Sang Kyu Kwak (Skola för energi och kemiteknik) och Prof. Rodney Ruoff (Center for Multidimensional Carbon Materials), forskargruppen avslöjade ytoxidationskemin hos den nanobandtäckta Cu(111)-ytan.

Specifikt, de har visat att grafen nanoribbon (GNR) kanttyp påverkar de initiala oxidationsstegen av Cu-ytan, på så sätt driver nanobandets avkoppling genom interkalering av omgivande adsorbatmolekyler (t.ex. syre och vatten).

Skillnaden mellan fåtöljen GNR och zigzag GNR på Cu(111) substratet, kännetecknas av närvaron av ett kanttillstånd i sicksack-GNR-kanterna, vilket har tillskrivits hybridiseringen mellan π-kolorbitaler utanför planet och metall d-orbitaler. Detta kanttillstånd, dock, är frånvarande i fåtöljen GNR kantatomer. En sådan observation har inte rapporterats för H-terminerad GNR på Cu(111).

Vibrationssträckningslägesberäkningar visade att GNR-kanterna påverkade den molekylära adsorptionen av syre vid de kala och GNR/Cu-ställena, bekräftar rollen av GNR-kanter för att försvaga den förförlängda O-O-bindningen vid GNR/Cu-gränssnittet. Forskargruppen förklarade också att GNR-kanterna underlättade stabiliseringen av vattenmolekyler (oavsett ytsyresättning), som annars skulle vara instabil på den kala Cu-ytan.

Dr Kester Wong, som tar full kontroll över forskningen, noterar att "GNR-medierade interaktioner mellan vatten och de kemisorberade syreradikalerna kan sprida ytterligare ljus för att belysa vatten och syres roll i oxidbildningen på ytan."

"Denna speciella studie kan ha intressanta konsekvenser för utvecklingen av regioselektiv grafenbaserad katalys. Icke desto mindre, att använda andra kristallaspekter för gränssnittsstudier av lågdimensionella material är av stort intresse, och flera utredningar drivs hårt av vår grupp på detta område", säger prof. Kwak.