Grafen och andra enatomtjocka ämnen är en kategori av underverk, med forskare över hela världen som undersöker deras elektroniska egenskaper för potentiella tillämpningar inom teknologier så olika som solceller, nya halvledare, sensorer, och energilagring.

Den största utmaningen för utformningen av dessa enskikts- eller 2-D-material till alla deras otaliga potentiella användningsområden är behovet av en atom-för-atom-perfektion och enhetlighet som kan vara svår och mödosam att uppnå i så små skalor, och svårt att bedöma också.

"Vi försöker vara smartare än naturen när vi sätter ihop dessa material, " sa Michael C. Tringides, en senior vetenskapsman vid det amerikanska energidepartementets Ames Laboratory och professor i fysik vid Iowa State University, som undersöker de unika egenskaperna hos 2D-material och metaller odlade på grafen, grafit, och andra kolbelagda ytor. "Och för att göra det, vi tvingar atomer att samlas på sätt som de normalt inte skulle göra. En av fältets stora utmaningar är att på ett tillförlitligt sätt producera grafen av hög kvalitet och andra liknande material."

Tringides och andra forskare vid Ames Laboratory har upptäckt och bekräftat en metod som kan fungera som ett enkelt men pålitligt sätt att testa kvaliteten på grafen och andra 2D-material. Det drar fördel av den mycket breda bakgrunden i ytelektrondiffraktion, kallad Bell-Shaped-Component (BSC) som starkt korrelerar med enhetligt mönstrade, eller "perfekt" grafen.

Att förstå sambandet har konsekvenser för tillförlitlig kvalitetskontroll av 2D-material i en tillverkningsmiljö.

"Denna upptäckt utmanar konventionell visdom, men korrelationen mellan detta märkliga fenomen och högkvalitativ grafen är omisskännlig. I praktisk tillämpning, vi ser det sträcker sig till andra högintressanta 2D-material som liknar grafen genom att ha liknande enhetlighet i ett enda lager, sa Tringides.

Förra året, Ames Laboratory forskare upptäckte genom lågenergi elektrondiffraktion - en teknik som vanligtvis används inom fysiken för att studera kristallstrukturen på ytorna på fasta material - att breda diffraktionsmönster är en indikator som tillförlitligt visar ett 2D-materials höga kvalitet. Det var en egenskap av högkvalitativ grafen som i huvudsak lurade i bakgrunden, och hade förbisetts i publicerad forskning eftersom det var raka motsatsen till vad som är allmänt accepterat från diffraktionsstudier - att bara skarpa, ljusa diffraktionsfläckar bör finnas. Eftersom det fyndet var kontraintuitivt, ytterligare undersökning krävdes under olika experimentella förhållanden och för att förstå ursprunget till BSC, sa Tringides.

Först, forskarna odlade grafen genom glödgning, eller värma upp det, genom en rad höga temperaturer, och jämföra tillväxten av BSC-diffraktionen tillsammans med tillväxten av den andra, allmänt accepterad indikator på skarpa diffraktionsfläckar. Utvecklingen av den breda diffraktionsbakgrunden speglade nära den skarpare fläcken, vilket bevisade att de är korrelerade. För det andra, gruppen experimenterade sedan med att avsätta metallatomer (i detta fall dysprosium) på ytan och under grafenet. Kallas interkalering, denna deponeringsprocess är ett av sätten som forskare kan anpassa 2D-material för specifika funktioner. I det andra experimentet, forskare mätte tillväxten av BSC under interkalering - svag när metallatomerna först är oordnade, och sedan öka när metallatomerna snäpper på plats mellan grafenet och substratet, skapa ett enhetligt lager. Så även om BSC inte var ett läroboksdiffraktionsmönster, dess orsak är lärobokens kvantmekanik – eftersom elektroner kläms in i ett enda lager, deras vågvektorer måste spridas, skapa det breda diffraktionsmönstret.

Forskningen diskuteras vidare i artikeln "High Layer Uniformity of Two-Dimensional Materials Demonstrated Surprisingly from Broad Features in Surface Electron Diffraction, " författad av S. Chen, M. Horn von Hoegen, P.A. Thiel, A. Kaminski, B. Schrunk, T. Speliotis, E.H. Conrad, och M.C. Tringides; och publiceras i Journal of Physical Chemistry Letters .