Woher weißt man, dass es perfektes Graphen ist?
Die Antwort war die ganze Zeit da
Die Herstellung von strukturell perfektem Graphen und anderen 2D-Materialien ist das Geheimnis, um ihre potenziell neuartigen elektronischen und spintronischen Eigenschaften zu nutzen. Aber woher wissen wir, wann Graphen, das am weitesten verbreitete 2D-Material, perfekt ist - eine fehlerfreie und gleichmäßige Atomschicht?
OpenClipart-Vectors, pixabay.com, CC0
Wissenschaftler des Ames Laboratory des U.S. Department of Energy haben einen Indikator entdeckt, der die hohe Qualität einer Probe zuverlässig nachweist, und zwar einen, der sich jahrzehntelang in aller Öffentlichkeit versteckt hielt.
Die Forscher untersuchten Graphenproben mit Hilfe der niederenergetischen Elektronenbeugung, einer in der Physik gebräuchlichen Technik zur Untersuchung der Kristallstruktur der Oberflächen von festen Materialien.
Was sie fanden, folgte nicht den akzeptierten Regeln der Beugung.
"Die Entdeckung ist ein Paradoxon", sagt Michael Tringides, Senior Scientist am Ames Laboratory, der die einzigartigen Eigenschaften von 2D-Materialien und Metallen untersucht, die auf Graphen, Graphit und anderen kohlenstoffbeschichteten Oberflächen wachsen. "Die Beugung im Lehrbuch besagt, dass, je makelloser ein Material ist, desto schärfer und klarer die Beugungspunkte sind und unvollkommene Materialien eine geringe Intensität und breitere Beugungspunkte haben."
Aber bei sehr homogenen Graphenproben zeigten die Beugungsstudien nicht nur die erwarteten scharfen Stellen, sondern auch ein sehr breites Band der diffusen Beugung im Hintergrund.
"Dieses Ergebnis ist nicht intuitiv und sehr seltsam", sagte Tringides, "aber wir finden dieses breite Beugungsmuster als ein intrinsisches Merkmal von Graphen, und wenn man es hat, hat man sehr gutes Graphen. Das ist ein guter Weg, um seine strukturelle Perfektion quantitativ zu messen."
Darüber hinaus war dieses seltsame Beugungsmuster in den letzten 25 Jahren der Graphenforschung vorhanden und sichtbar und wurde dennoch ignoriert. "Es war ein großes, auffälliges und reproduzierbares Phänomen, und wir haben erkannt, dass es in irgendeiner Weise extrem wichtig sein muss", sagte Tringides.
Während mehr theoretische Arbeit erforderlich ist, um die experimentellen Ergebnisse vollständig zu erklären, glauben die Wissenschaftler, dass das breite Beugungsphänomen durch die Einschließung von Graphenelektronen in einer einzigen Atomschicht verursacht wird. Nach den Grundlagen der Quantenmechanik muss ihr Wellenvektor eine Spreizung aufweisen, die auf die gebeugten Elektronen übertragen wird, da die Elektronenposition senkrecht zur Schicht genau bekannt ist. Dieser Effekt ist auch bei anderen Arten von 2D-Materialien von Bedeutung. Mit dem anhaltenden und wachsenden Interesse an 2D-Materialien für eine Vielzahl von Anwendungen wird die Verbesserung ihrer strukturellen Qualität der Schlüssel zu vielversprechenden neuen Technologien sein, sagte Tringides.
"Diese Arbeit ist ein wichtiger Schritt in Richtung der Fähigkeit, Graphen und andere 2D-Materialien präzise zu optimieren und ihre Eigenschaften für spezifische Anwendungen anzupassen", sagte er.
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Originalveröffentlichung
"Diffraction paradox: An unusually broad diffraction background marks high quality graphene"; S. Chen, M. Horn von Hoegen, P. A. Thiel, and M. C. Tringides; Physical Review B; 2019
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