Naukowcy z Rice University w USA uzyskali koncentryczne sześciokąty grafenu syntezowane metodą bottom up (z ang. dołu do góry) atom po atomie.
“Jak widać pod mikroskopem, tak ułożone warstwy przypominają przekrojoną cebulę” – mówi James Tour jeden z chemików pracujących w Rice. Artykuł na temat “cebulowych krążków” został opublikowany w Journal of American Chemical Society.
Pierścienie z nanowstążek grafenu wytworzone metodą bottom up poprzez chemiczne osadzanie z fazy gazowej.
Zazwyczaj grafen uzyskuje się poprzez chemiczne osadzanie metodą CVD (chemical vapour deposition) fazy gazowej na odpowiednio rozgrzanej podstawie. Osadzanie par na podłożu następuje w obszarze występowania zanieczyszczeń, np. drobinek kurzu lub w miejscu, gdzie znajdują się defekty powierzchniowe takie jak wybrzuszenia, krawędzie. Uruchomiony zostaje proces zarodkowania, który kontrolowany jest przez ciśnienie oraz temperaturę.
Eksperyment w laboratorium Rice prowadzony był w piecu z miedzianym podłożem, w warunkach wysokiego ciśnienia i środowisku bogatym w wodór. Zespół odkrył, że krawędź szybko wzrastającego, uwodornionego arkusza grafenu była miejscem powstawania zarodków. Krawędź umożliwiała atomom węgla przejście niżej, gdzie tworzyła się nową grafenowa warstwa. Wzrost struktury następował tak szybko, że w końcu został zatrzymany przepływ atomów do dolnych warstw. Spód o kształcie pierścienia przestawał rosnąć, po czym następowało analogiczne powtórzenie procesu.
Zdjęcie “cebulowej” struktury grafenu z mikroskopu elektronowego.
“Idea polegała na tym, aby utrudnić przepływ atomów węgla z warstwy wierzchniej do warstw dolnych. To co otrzymujemy jest wielokrotnością pojedynczych kryształów rosnących jeden na drugim” – powiedział Tour. W rezultacie dwuwymiarowe grafenowe warstwy (pierścienie) stworzyły trójwymiarową strukturę.
Laboratorium Tour’a jest pionierem jeśli chodzi o masowe wytwarzanie jedno-atomowych grafenowych nanowstążek. Naukowcy w 2009 roku odkryli, że nanorurki węglowe można chemicznie “rozłożyć” na długie, cienkie, węglowe warstwy.
“Podczas tworzenia struktur grafenu metodą bottom-up mamy wpływ na wzrost krawędzi, co przekłada się na określenie właściwości elektrycznych grafenu. Krawędzie powstałych sześciokątów są jak zygzaki, które sprawiają, że struktura grafenowa przyjmuje właściwości metali” – wyjaśnia Tour.
Model strukturalny heksagonalnych pierścieni grafenu.
Szerokość pierścieni wahała się między 10 a 450 nanometrów, co miało wpływ na właściwości elektryczne. Naukowcy pracują obecnie nad ustabilizowaniem i kontrolą procesu, co wpłynie na unormowanie wymiarów powstałych struktur. “Krążki o szerokości 10 nanometrów będą podstawą do budowy niskonapięciowych tranzystorów” – dodaje naukowiec.
“Cebulowe krążki” z grafenu mogą znaleźć zastosowanie przy budowie baterii litowo-jonowych, w zaawansowanej elektronice oraz radiatorach.
Źródło:
[1] Hexagonal Graphene Onion Rings. Zheng Yan, Yuanyue Liu, Jian Lin, Zhiwei Peng, Gunuk Wang, Elvira Pembroke, Haiqing Zhou, Changsheng Xiang, Abdul-Rahman O. Raji, Errol L. G. Samuel, Ting Yu, Boris I. Yakobson, and James M. Tour. Journal of the American Chemical Society 2013 135 (29), 10755-10762
[2] http://news.rice.edu/2013/07/18/graphene-onion-rings-have-delicious-potential/ | 24.07.2013
[3] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja403915m | 24.07.2013
[4] Zdjęcia dzięki uprzejmości/Credit photos by Yuanyue Liu/Tour Group/Rice University, http://www.rice.edu/