Las imágenes de microscopía de color falso muestran ejemplos de grafeno que crece lentamente, resultando en parches grandes con costura deficiente, y el grafeno creció más rápidamente, dando como resultado parches más pequeños con costuras más ajustadas y mejor rendimiento. (Laboratorio de Muller)
(Phys.org) - Similar a cómo las puntadas más ajustadas hacen una colcha de mejor calidad, la "costura" entre los cristales individuales de grafeno afecta qué tan bien estas monocapas de carbono conducen la electricidad y retienen su fuerza, Informe de los investigadores de Cornell.
La calidad de esta "costura", los límites en los que los cristales de grafeno crecen juntos y forman láminas, es tan importante como el tamaño de los cristales en sí. que los científicos habían pensado anteriormente que era la clave para hacer un mejor grafeno.
Los investigadores, dirigido por Jiwoong Park, profesor asistente de química y biología química y miembro del Instituto Kavli de Cornell para la ciencia a nanoescala, utilizó técnicas avanzadas de medición e imagen para hacer estas afirmaciones, detallado en línea en la revista Ciencias 1 ° de Junio.
El grafeno es una capa única de átomos de carbono, y los científicos de materiales están involucrados en una especie de carrera armamentista para manipular y mejorar sus asombrosas propiedades:resistencia a la tracción, alta conductancia eléctrica, y posibles aplicaciones en fotónica, fotovoltaica y electrónica. Los dibujos animados representan al grafeno como una perfecta malla atómica para gallinero que se estira hasta el infinito.
En realidad, el grafeno es policristalino; se cultiva a través de un proceso llamado deposición química de vapor, en el que pequeños cristales, o granos, en orientaciones aleatorias crecen por sí mismas y eventualmente se unen en enlaces carbono-carbono.
Una imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) de cristales de grafeno que crecen sobre cobre. El recuadro es una imagen SEM en falso color de un dispositivo eléctrico que consta de un límite de grano único en grafeno. (Laboratorio Wei Tsen / Park)
En un trabajo anterior publicado en Nature el pasado mes de enero, el grupo de Cornell había usado microscopía electrónica para comparar estas hojas de grafeno con colchas de retazos, cada "parche" representado por la orientación de los granos de grafeno (y de colores falsos para hacerlos bonitos).
Ellos, junto con otros científicos, se preguntó cómo se mantendrían las propiedades eléctricas del grafeno en función de su naturaleza policristalina. La sabiduría convencional y algunas mediciones indirectas previas habían llevado a los científicos a suponer que el cultivo de grafeno con cristales más grandes (menos parches) podría mejorar sus propiedades.
El nuevo trabajo cuestiona ese dogma. El grupo comparó el rendimiento del grafeno basándose en diferentes tasas de crecimiento a través de la deposición de vapor químico; algunos crecieron más lentamente, y otros, muy rápidamente. Descubrieron que cuanto más reactivo, grafeno de rápido crecimiento, con más parches, en cierto modo, se comportó mejor electrónicamente que el grafeno de crecimiento más lento con parches más grandes.
Como se vio despues, un crecimiento más rápido condujo a uniones más estrechas entre los granos, que mejoró el rendimiento del grafeno, a diferencia de los granos más grandes que se mantenían unidos de forma más holgada.
"Lo importante aquí es que necesitamos promover el entorno de crecimiento para que los granos se unan bien, ", Dijo Park." Lo que estamos mostrando es que los límites de los granos eran una preocupación principal, pero puede ser que no importe. Estamos descubriendo que probablemente esté bien ".
De igual importancia a estas observaciones fueron las complejas técnicas que utilizaron para realizar las mediciones, lo que no es una tarea fácil. Un proceso de litografía por haz de electrones de cuatro pasos, desarrollado por Adam Tsen, un estudiante de posgrado en física aplicada y el primer autor del artículo, permitió a los investigadores colocar electrodos en grafeno, directamente sobre un sustrato de membrana de 10 nanómetros de espesor para medir las propiedades eléctricas de los límites de un solo grano.
"Nuestra técnica establece un tono sobre cómo podemos medir materiales atómicamente delgados en el futuro, "Agregó Park.
Colaboradores liderados por David A. Muller, profesor de física aplicada e ingeniería y codirector del Instituto Kavli de Cornell para la ciencia a nanoescala, utilizó técnicas avanzadas de microscopía electrónica de transmisión para ayudar al grupo de Park a obtener imágenes de su grafeno para mostrar las diferencias en los tamaños de grano.
El trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, y la National Science Foundation a través del Cornell Center for Materials Research. La fabricación se realizó en las instalaciones de ciencia y tecnología de Cornell NanoScale.
