Forskare vid Wright State University har hjälpt till att bana väg för utökade tillämpningar av grafen i allt från rymdutforskning till allväderssensorer.

Forskningen utfördes av Elliott Brown, Ohio Research Scholars Endowed Chair in Sensors Physics, och Weidong Zhang, forskningsfysiker vid institutionen för fysik. Deras arbete publicerades nyligen i Naturkommunikation , en vetenskaplig tidskrift som täcker naturvetenskap, inklusive fysik, kemi och biologi.

Grafen är världens första tvådimensionella material med monoatomisk tjocklek - ett enda lager av kolatomer arrangerade i ett hexagonalt (bikake) gitter. Dess mekaniska egenskaper i planet gör det till det starkaste materialet som någonsin testats, men det är väldigt flexibelt utanför planet. Den leder effektivt värme och elektrisk ström och är nästan transparent för synligt ljus.

Forskare har teoretiserat om grafen i flera år, men det var inte förrän 2004 som materialet lyckades isoleras, genom exfoliering från grafitkristaller - med hjälp av tejp. Det arbetet av Andre Geim och Konstantin Novoselov vid University of Manchester resulterade i att de vann Nobelpriset i fysik 2010.

"Det som fick folk att entusiasmera över grafen var det faktum att det erbjöd potentialen för högre elektron- och hålrörlighet i rumstemperatur än någon känd halvledare, ", sa Brown. Mobilitet är ett sätt att karakterisera accelerationen av gratisladdningsbärare och är ett viktigt mått för material som används i solid-state elektronik av alla slag.

Monatomiska grafenfilmer på kiselsubstrat levererades till Wright State av medarbetare vid University of California-Irvine. Brown och Zhang gjorde sedan exakta elektromagnetiska mätningar vid THz-frekvenser med deras unika instrumentering. De insåg då att data kunde förklaras väl med hjälp av en vanlig metod inom elektroteknik som kallas mikrovågstransmissionslinjemodellering.

"Vi kom på hur man anpassar transmissionslinjemodellen - för att beskriva interaktionen mellan elektromagnetisk strålning och grafen som ett tvådimensionellt material, ", sade Brown. "Denna forskning kommer att hjälpa till att flytta grafen från fysikarenan till en teknik-applikationsregim. Det betyder att elektriska ingenjörer som arbetar inom industrin eller i forskningslabb kommer att veta bättre hur man analyserar grafen i högfrekventa kretsar och hur det interagerar med strålning."

Brown säger att detta kan leda till tekniska framsteg i sådana applikationer som strålstyrning i högupplösta navigationsradarsystem genom rök och dimma samt millimetervågs- ​​och THz-bildsystem av dolda föremål genom kläder och plastbehållare.

"Mycket arbete har lagts ner på att studera dessa tillämpningar av grafen, men bättre ingenjörskonst krävs för deras framgång, " han sa.