Genom att introducera defekter i den perfekta ytan av grafen på kiselkarbid, forskare vid Linköpings universitet i Sverige har ökat materialets kapacitet att lagra elektrisk laddning. Detta resultat, som har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Electrochimica Acta, ökar vår kunskap om hur detta ultratunna material kan användas.

Det tunnaste materialet som någonsin producerats, grafen, består av ett enda lager kolatomer. De bildar en kycklingtrådsstruktur en atomtjock, med unika egenskaper. Det är cirka 200 gånger starkare än stål, och mycket flexibel. Det är genomskinligt, men gaser och vätskor kan inte passera genom den. Dessutom, det är en utmärkt ledare för elektricitet. Det finns många idéer om hur detta nanomaterial kan användas, och forskning om framtida tillämpningar är intensiv.

"Grafen är fascinerande, men extremt svårt att studera, "säger Mikhail Vagin, huvudingenjör vid Institutionen för naturvetenskap och teknik och Institutionen för fysik, Kemi och biologi vid Linköpings universitet.

En av faktorerna som bidrar till svårigheten att förstå grafenens egenskaper är att det är ett så kallat "anisotropt" material. Detta betyder att dess egenskaper när de mäts på den plana ytan av kolatomskiktet skiljer sig från de som mäts vid kanterna. Vidare, försök att förstå grafenens beteende på atomnivå kompliceras av att det kan framställas på flera sätt. Egenskaperna hos grafen i små flingor, som har många kanter, skiljer sig på flera sätt från grafen som produceras som ark med en yta runt 1 cm2.

Forskarna som genomförde studien använde grafen skapad på en kristall av kiselkarbid med en metod utvecklad vid Linköpings universitet. När kiselkarbid värms upp till 2000 °C, kiselatomer på ytan flyttar till ångfasen och endast kolatomerna finns kvar. Grafenen reagerar inte lätt med sin omgivning på grund av den höga kvaliteten på grafenskiktet och dess medfödda tröghet, medan applikationer ofta förlitar sig på kontrollerad interaktion mellan materialet och omgivningen, som gasmolekyler. En pågående diskussion bland forskare inom området är om det är möjligt att aktivera grafenet på den plana ytan eller om det är nödvändigt att ha kanter. LiU-forskarna undersökte vad som händer när defekter i ytan introduceras på ett kontrollerat sätt, och på detta sätt försökte förstå mer i detalj hur egenskaperna hos grafen är relaterade till dess struktur.

"En elektrokemisk process känd som 'anodisering' bryter ner grafenskiktet så att fler kanter skapas. Vi mätte egenskaperna hos anodiserad grafen och upptäckte att materialets kapacitet att lagra elektricitet var ganska hög, säger Mikhail Vagin.

Mer arbete krävs innan den nya kunskapen kan användas, och att producera samma effekt i större skala. Forskarna planerar att följa upp forskningen på flera sätt.

"Grafen på kiselkarbid kan tillverkas på större ytor än andra typer av grafen. Om vi ​​kan förändra materialets egenskaper på ett kontrollerat sätt, det kan vara möjligt att skräddarsy ytan för andra funktioner. Det kan vara möjligt, till exempel, att skapa en sensor som har sitt eget inbyggda batteri, säger Mikael Syväjärvi, chefsingenjör vid institutionen för fysik, Kemi och biologi och medförfattare till artikeln. Han är en av grundarna av ett företag, Graphensic AB, som fungerar med kommersiella tillämpningar av grafen på kiselkarbid.

Resultaten härrörde från ett examensarbete som genomförts som ett samarbete mellan Graphensic och forskare vid Linköpings universitet.