Ett internationellt team av forskare har utvecklat ett nytt sätt att producera enskiktsgrafen från en enkel prekursor:eten - även känd som eten - den minsta alkenmolekylen, som bara innehåller två kolatomer.

Genom att värma etenet i etapper till en temperatur på något mer än 700 grader Celsius - varmare än vad som hade försökts tidigare - producerade forskarna rena lager av grafen på ett rodiumkatalysatorsubstrat. Den stegvisa uppvärmningen och den högre temperaturen övervann utmaningar som setts i tidigare försök att producera grafen direkt från kolväteprekursorer.

På grund av dess lägre kostnad och enkelhet, tekniken kan öppna nya potentiella tillämpningar för grafen, som har attraktiva fysiska och elektroniska egenskaper. Arbetet tillhandahåller också en ny mekanism för självutvecklingen av kolklusterprekursorer vars diffusionskoalescens resulterar i bildandet av grafenskikten.

Forskningen, rapporterade som omslagsartikel i numret den 4 maj av Journal of Physical Chemistry C , utfördes av forskare vid Georgia Institute of Technology, Technische Universität München i Tyskland, och University of St. Andrews i Skottland. I USA, forskningen stöddes av U.S. Air Force Office of Scientific Research och U.S. Department of Energys Office of Basic Energy Sciences.

"Eftersom grafen är gjord av kol, vi bestämde oss för att börja med den enklaste typen av kolmolekyler och se om vi kunde sätta ihop dem till grafen, " förklarade Uzi Landman, en Regents' Professor och F.E. Callaway begåvad ordförande vid Georgia Tech School of Physics som ledde den teoretiska delen av forskningen. "Från små molekyler som innehåller kol, du slutar med makroskopiska bitar av grafen."

Grafen tillverkas nu med en mängd olika metoder inklusive kemisk ångavsättning, indunstning av kisel från kiselkarbid – och enkel exfoliering av grafenskivor från grafit. Ett antal tidigare försök att producera grafen från enkla kolväteprekursorer hade visat sig i stort sett misslyckade, skapar oordnat sot snarare än strukturerad grafen.

Styrd av ett teoretiskt förhållningssätt, forskarna resonerade att vägen från eten till grafen skulle innebära bildandet av en rad strukturer när väteatomer lämnar etenmolekylerna och kolatomerna självsammansättningar till det bikakemönster som kännetecknar grafen. För att utforska naturen hos de termiskt inducerade rodiumytkatalyserade transformationerna från eten till grafen, experimentella grupper i Tyskland och Skottland höjde temperaturen på materialet i steg under ultrahögt vakuum. De använde scanning-tunneling microscopy (STM), termisk programmerad desorption (TPD) och högupplöst elektronenergiförlust (vibrations)spektroskopi (HREELS) för att observera och karakterisera de strukturer som bildas vid varje steg i processen.

Vid uppvärmning, eten adsorberat på rodiumkatalysatorn utvecklas via kopplingsreaktioner för att bilda segmenterade endimensionella polyaromatiska kolväten (1D-PAH). Ytterligare uppvärmning leder till dimensionsövergång - endimensionella till tvådimensionella strukturer - och dynamiska omstruktureringsprocesser vid PAH-kedjans slut med en efterföljande aktiverad lossning av storleksselektiva kolkluster, efter en mekanism som avslöjas genom första principernas kvantmekaniska simuleringar. Till sist, hastighetsbegränsande diffusionskoalescens av dessa dynamiskt självutvecklade klusterprekursorer leder till kondensering till grafen med hög renhet.

I det sista skedet före bildandet av grafen, forskarna observerade nästan runda skivliknande kluster innehållande 24 kolatomer, som breder ut sig för att bilda grafengittret. "Temperaturen måste höjas inom fönster med temperaturintervall för att tillåta de nödvändiga strukturerna att bildas innan nästa steg av uppvärmning, Landman förklarade. "Om du stannar vid vissa temperaturer, du kommer sannolikt att sluta med koksning."

En viktig komponent är dehydreringsprocessen som frigör kolatomerna för att bilda mellanliggande former, men en del av vätet finns tillfälligt på, eller nära, metallkatalysatorytan och den hjälper till i efterföljande bindningsbrytningsprocess som leder till att 24-kolklusterprekursorerna lossnar. "Längs vägen, det sker en förlust av väte från klustren, ", sa Landman. "Att höja temperaturen "kokar" i huvudsak vätet ur den utvecklande metallstödda kolstrukturen, kulminerade i grafen."

Den resulterande grafenstrukturen adsorberas på katalysatorn. Det kan vara användbart fäst på metallen, men för andra applikationer, ett sätt att ta bort det måste utvecklas. Lade till Landman:"Detta är en ny väg till grafen, och den möjliga tekniska tillämpningen återstår att utforska."