Grafeno debesėlio tyrimas atskleidžia paviršiaus įlinkių žalą laidumui

Mokslininkų grupė, vadovaujama Bufalo universiteto chemikų, panaudojo sinchrotroninę šviesą elektronų debesėliams grafeno paviršiuje stebėti. Gauti vaizdai atskleidžia kaip įlinkimai ir susidariusios vilnys gali stipriai paveikti medžiagos laidumą.

Grafenas yra ploniausia, bet ir stipriausia medžiaga žinoma žmogui. Ji sudaryta iš anglies atomų išsidėsčiusių vienu sluoksniu korio pavidalo kristalinėje gardelėje.

Grafeno ypatinga struktūra užtikrina labai gerą laidumą. Ypatingomis sąlygomis, tai yra kai grafenas yra visiškai plokščias, elektros krūvis gali judėti medžiaga praktiškai nesutikdamas pasipriešinimo, pasakė Sarbajit Banerjee, kuris dirba Bufalo universitete ir vadovavo atliktam tyrimui. Darbas buvo atspausdintas „Nature Communications“ žurnale.

Tačiau tokios sąlygos elektros krūviams ne visada yra tinkamos. Banerjee ir jo kolegų gauti vaizdai atskleidė, kad grafenui esant sulenktam, elektronų debesėlis, dengiantis grafeno paviršių, pasiskirsto netolygiai. Tai reiškia, kad elektronų krūviui pasidaro sudėtingiau judėti medžiaga.

Paveikslėlyje raudona sritimi parodyti įlinkiai grafene. Žalia spalva reiškia, kad šios sritys yra santykinai plokščios. Elektronų debesėlyje susiformavę kalnai ir įdubos gali būti vienas iš trukdžių, stabdančių elektronų judėjimą grafene. Idealiausiu atveju, greitai veikiančioje elektronikoje grafenas turėtų būti plokščias, tai yra gautame vaizde elektronų debesėlis būtų žalias.

„Kai grafenas yra plokščias, elektronai jaučiasi lyg greitkelyje. Jiems nieko nereikia peršokti, – pasakė chemijos profesorius Barenjee. – Bet jei jūs jį sulenksite, atsiranda trukdžiai. Palyginkite ką tik išgrįstą greitkelį su remontuojamu. Gautą elektronų debesėlio vaizdą galima palyginti su pūkuota pagalve. Mes matome, kad pagalvė yra nelygi, sulenkta tam tikrose vietose.“

Norėdami gauti elektronų debesėlio vaizdus bei suprasti, kas lemia elektronų debesėlio pasiskirstymą, Banerjee kartu su kolegomis pritaikė du metodus, kuriems reikėjo sinchrotroninės spinduliuotės – rastrinį rentgeno bangų peršvietimo mikroskopą (angl. scanning transmission X-ray microscopy) ir artimojo rentgeno spinduliuotės absorbcijos krašto smulkiosios struktūros metodą (angl. near edge X-ray absorption fine structure), tai yra sugerties spektroskopijos rūšį. Eksperimento rezultatai buvo papildomai apdoroti naudojant Berklio laboratorijos kompiuterinį spiečių.

Paveikslėlyje brūkšnine linija parodytos grafeno sritys, atitinkančios skirtingus pasvirimo kampus.

„Skaičiavimų panaudojimas leidžia mums geriau suprasti mūsų kolegų matavimus su rentgeno spinduliais. Galima geriau nustatyti, kaip nežymūs pokyčiai grafeno struktūroje veikia medžiagos elektronines savybes, – pasakė Deividas Prendergastas, mokslininkas dirbantis Berklio laboratorijoje. – Mes pamatėme, kad grafeno sluoksnis yra susiraukšlėjęs. Panašu į daugelio namų stogus, jei jie būtų sujungti vienas su kitu.“ Tyrimo metu buvo stebėti ne tik elektronų debesėlio pasiskirstymo netolygumai, atsiradę dėl raukšlių grafene. Kartu buvo nustatyta, kad priemaišinės medžiagos patekusios į grafeną gamybos metu, išsidėsto įdubose, tai yra medžiagos netolygumuose. Tokios priemaišos iškraipo elektronų debesėlio pasiskirstymą grafeno paviršiuje, nes keičia elektronų debesėlio ryšio stiprumą su sluoksnyje esančiais atomais.

Grafeno neįprastos savybės sukėlė euforiją įvairiose pramonės šakose, tame tarpe kompiuterinėje, energetikos ir gynybos. Mokslininkai pabrėžia, kad grafeno elektrinis laidumas atitinka vario elektrinį laidumą, o terminis laidumas yra pats geriausias iš visų žinomų medžiagų.

Atlikę šį tyrimą mokslininkai mano, kad kompanijos, turinčios didelių vilčių grafeno panaudojimui gaminant ypatingai greitus tranzistorius ar saulės elementus, turėtų didelį dėmesį skirti medžiagos fundamentalių savybių tyrimams. Pagerinti metodai, kurie leistų grafeno plokščius sluoksnius panaudoti komerciniuose produktuose, užtikrintų šių produktų efektyvumą.

„Daugelis žino, kaip auginti grafeną, bet dar nėra gerai suprasta, kaip perkelti jį ant kitos medžiagos nesulankstant pačio grafeno, – paaiškino Benerjee. – Yra labai sudėtinga išlaikyti grafeną tiesų ir plokščią. Mūsų darbas parodo, kodėl tai yra taip svarbu.“

„Manoma, kad grafenas bus labai svarbi medžiaga elektronikoje, – pasakė Bufalo universiteto studentas bei straipsnio pagrindinis autorius Brajenas Šultcas (Brian Schultz). – Tai yra viena iš didžiausiu laidumu pasižyminčių medžiagų, kada nors atrastų. Ji gali būti panaudota kuriant aukšto dažnio tranzistorius ir netgi pakeisti silicio lustus, kurie yra dabartinės komercinės elektronikos pagrindas.“

„Kai grafenas buvo atrastas, visi buvo labai susijaudinę ir norėjo kuo greičiau jį panaudoti praktikoje. – savo aiškinimą pratesė Šultcas. – Tuo tarpu mes parodėme, kad reikia atlikti fundamentinius medžiagos tyrimus, norint suprasti, kaip reikia grafeną gaminti ir kaip jį būtų galima pritaikyti elektronikoje.“