Atomen gebruiken tunnels om te ontsnappen onder grafeen

7 november 2018

Grafeen houdt een grote belofte in voor toepassingen sinds het in 2004 voor het eerst werd geïsoleerd. Toch gebruiken we het nog steeds niet in grootschalige technologie, omdat we geen methode kennen om grafeen op industriële schaal te produceren. Leidse natuurkundigen hebben nu als eersten in beeld gebracht hoe atomen zich gedragen tussen grafeen en een substraat. Dit kan van pas komen bij een toekomstige implementatie van industriële productie. Publicatie in Physical Review Materials.

Johannes Jobst - Universiteit LeidenJohannes Jobst - Universiteit Leiden

In 2004 lukte het wetenschappers om een enkele laag koolstofatomen te isoleren van een blok grafiet. Sindsdien wordt deze zogenoemde grafeenlaag geroemd om zijn grote potentieel voor allerlei veelbelovende toepassingen. Het zou snellere transistoren, zuinigere elektrische auto’s en gevoeligere sensoren mogelijk maken. Dus fast-forward naar 2018: grafeen is de bouwsteen voor onze computers, auto’s en gadgets, toch? Fout. Er zijn nog steeds weinig grootschalige grafeentoepassingen. Het probleem is dat we nog geen manier hebben bedacht om grafeen in hoge kwaliteit op het juiste substraat te produceren op industriële schaal.

Waterstof

Toch hebben onderzoekers wel een idee voor grootschalige productie. Als ze siliciumcarbide verhitten tot bijna 2.000 °C, groeit er een grafeenlaag op zijn oppervlak. Ze moeten er echter wel voor zorgen dat het substraat de gewenste eigenschappen van het grafeen niet verstoort. Geïnjecteerde waterstofatomen tussen het grafeen en het siliciumcarbide isoleren het grafeen en laten het intact als laagjesmateriaal. Leids natuurkundige Sense Jan van der Molen en zijn groep hebben nu als eersten in beeld gebracht hoe die atomen zich gedragen onder het grafeen.

LEEM-afbeelding van een grafeenlaag die is gegroeid op een substraat van siliciumcarbide. Een rode kleur toont de aanwezigheid van waterstofatomen tussen het grafeen en het siliciumcarbide. De donkere lijnen duiden op kreukels in het grafeen. De omliggende witte gebieden laten zien waar de waterstofatomen het raakvlak al hebben verlaten. Dit toont aan dat de lijnen als tunnels dienen voor het waterstof om sneller weg te vloeien.LEEM-afbeelding van een grafeenlaag die is gegroeid op een substraat van siliciumcarbide. Een rode kleur toont de aanwezigheid van waterstofatomen tussen het grafeen en het siliciumcarbide. De donkere lijnen duiden op kreukels in het grafeen. De omliggende witte gebieden laten zien waar de waterstofatomen het raakvlak al hebben verlaten. Dit toont aan dat de lijnen als tunnels dienen voor het waterstof om sneller weg te vloeien.

Kreuklijnen

De onderzoekers, waaronder postdoc Johannes Jobst en promovendus Tobias de Jong, gebruikten hun Lage-Energie Elektronenmicroscoop (LEEM) om te zien wat er gebeurt met waterstofatomen tussen grafeen en siliciumcarbide. Ze spotten kreuklijnen in de grafeenlaag. De waterstofatomen gebruiken deze kreukels als tunnels waardoor ze gemakkelijker kunnen ontsnappen, terwijl ze veel langer blijven hangen onder de gladde stukken. ‘Het omgekeerde proces wordt veel gebruikt in onderzoek om het grafeen te ontkoppelen van het substraat,’ zegt Jobst. ‘Maar het was onduidelijk hoe het waterstof beweegt op het raakvlak. We hebben laten zien dat je waterstofgas in de tunnels kunt blazen zodat het zich snel verspreidt onder de grafeenlaag in de vorm van losse atomen.’

Publicatie

T. A. de Jong, E. E. Krasovskii, C. Ott, R. M. Tromp, S. J. van der Molen, and J. Jobst, 'Intrinsic stacking domains in graphene on silicon carbide: A pathway for intercalation', Phys. Rev. Materials 2, 104005

Dit onderzoek is medegefinancierd vanuit de VENI-subsidie van postdoc Johannes Jobst.

Bron: Universiteit Leiden