Ett team med fysiker från universitetet i Basel har lyckats använda atomkraftsmikroskopi för att få tydliga bilder av enskilda föroreningsatomer i grafenband. Tack vare krafterna som mäts i grafenens tvådimensionella kolgitter, de kunde identifiera bor och kväve för första gången, som forskarna rapporterar i tidskriften Vetenskapens framsteg .

Grafen är gjord av ett tvådimensionellt lager av kolatomer arrangerade i ett hexagonalt gitter. De starka bindningarna mellan kolatomerna gör grafen extremt stabilt men ändå flexibelt. Det är också en utmärkt elektrisk ledare genom vilken elektricitet kan flöda nästan utan förlust.

Grafens utmärkande egenskaper kan utökas ytterligare genom att införliva föroreningsatomer i en process som kallas "dopning". Föroreningsatomerna orsakar lokala förändringar av ledningen som, till exempel, tillåta grafen att användas som en liten transistor och möjliggöra konstruktion av kretsar.

I ett samarbete mellan forskare från universitetet i Basel och National Institute for Material Science i Tsukuba i Japan, Kanazawa University och Kwansei Gakuin University i Japan, och Aalto-universitetet i Finland, forskarna skapade och undersökte specifikt grafenband som innehåller föroreningsatomer.

De ersatte särskilda kolatomer i det hexagonala gittret med bor- och kväveatomer med hjälp av ytkemi, genom att placera lämpliga organiska prekursorföreningar på en guldyta. Under värmeexponering upp till 400°C, små grafenband bildade på guldytan från prekursorerna, inklusive föroreningsatomer på specifika platser.

Forskare från teamet ledd av professor Ernst Meyer från det schweiziska nanovetenskapsinstitutet och universitetet i Basels fysikavdelning undersökte dessa grafenband med hjälp av atomkraftsmikroskopi (AFM). De använde en kolmonoxidfunktionaliserad spets och mätte de små krafterna som verkar mellan spetsen och de enskilda atomerna.

Denna metod gör att även de minsta skillnader i krafter kan upptäckas. Genom att titta på de olika krafterna, forskarna kunde kartlägga och identifiera de olika atomerna. "Krafterna som mäts för kväveatomer är större än för en kolatom, " förklarar Dr Shigeki Kawai, huvudförfattare till studien och tidigare postdoc i Meyers team. "Vi mätte de minsta krafterna för boratomerna." De olika krafterna kan förklaras av den olika andelen avstötande krafter, vilket beror på de olika atomradierna.

Datorsimuleringar bekräftade avläsningarna, bevisar att AFM-teknik är väl lämpad för att genomföra kemiska analyser av föroreningsatomer i de lovande tvådimensionella kolföreningarna.