Materialens egenskaper definieras ofta av ofullkomligheter i deras atomära struktur, speciellt när själva materialet bara är en atom tjockt, som grafen. Forskare vid universitetet i Wien har nu utvecklat en metod för att kontrollerat skapande av sådana ofullkomligheter i grafen i längdskalor som närmar sig den makroskopiska världen. Dessa resultat, bekräftas av atomiskt upplösta mikroskopbilder och publicerade i tidskriften Nanobokstäver , fungera som en viktig utgångspunkt både för att skräddarsy grafen för applikationer och för utveckling av nya material.

Grafen består av kolatomer arrangerade i ett hönsnätsliknande mönster. Detta enatomtjocka material är känt för sina många extraordinära egenskaper, som extrem styrka och enastående förmåga att leda elektricitet. Sedan upptäckten, forskare har letat efter sätt att ytterligare skräddarsy grafen genom kontrollerad manipulation av dess atomära struktur. Dock, tills nu, sådana ändringar har endast bekräftats lokalt, på grund av utmaningar i atomupplösningsavbildning av stora prover och analys av stora datamängder.

Nu har ett team kring Jani Kotakoski vid universitetet i Wien tillsammans med Nion Co. kombinerat en experimentell uppställning byggd kring ett Nion UltraSTEM 100-mikroskop med atomupplösning och nya tillvägagångssätt för bildbehandling och dataanalys genom maskininlärning för att få kontroll över grafen i atomskala mot makroskopiska urvalsstorlekar. Den experimentella proceduren visas i figur 1.

Experimentet börjar med att rengöra grafen via laserbestrålning, varefter den modifieras kontrollerbart med hjälp av argonjonbestrålning med låg energi. Efter att ha överfört provet till mikroskopet under vakuum, den avbildas med atomupplösning med en automatisk algoritm. De inspelade bilderna skickas till ett neuralt nätverk som känner igen den atomära strukturen och ger en omfattande översikt över förändringen i atomskala av provet.

"Nyckeln till det framgångsrika experimentet var kombinationen av vår unika experimentuppställning med de nya automatiserade bildbehandlings- och maskininlärningsalgoritmerna, " säger Alberto Trentino, huvudförfattaren till studien. "Att utveckla alla nödvändiga delar var en riktig laginsats, och nu kan de enkelt användas för uppföljande experiment, " fortsätter han. Ja, efter denna bekräftade modifiering av grafen i atomär skala över ett stort område, forskarna utökar redan metoden för att använda de skapade strukturella ofullkomligheterna för att förankra föroreningsatomer i strukturen. "Vi är glada över möjligheten att skapa nya material som är designade med början på atomnivå, baserat på denna metod, " Jani Kotakoski, ledaren för forskargruppen, avslutar.