Je leest:

Grafeen oogt als lappendeken

Grafeen oogt als lappendeken

Auteur: | 11 januari 2011

Kleine stukjes grafeen hebben een perfect, homogeen kristalrooster. Maar grafeen van grote afmetingen niet meer. Dan bestaat het materiaal uit verschillende kleinere stukjes grafeen die aan elkaar zijn gegroeid, als een soort lappendeken. Dat blijkt uit onderzoek van Amerikaanse wetenschappers, dat door vakblad Nature werd beloond met een vervroegde online publicatie.

Small
Een stukje buigzaam grafeen dat vorig jaar door Japanners en Zuid-Koreanen gemaakt werd.
Byung Hee Hong, SKKU

2010 was een belangrijk jaar voor grafeen. Het atomair dunne laagje koolstof met unieke eigenschappen stond volop in de spotlights. Dat kwam mede door de toekenning van de Nobelprijs voor Natuurkunde aan de makers van het ‘nano-kippengaas’, Andre Geim en Konstantin Novoselov. Maar ook werd door Japanse en Zuid-Koreaanse wetenschappers voor het eerst grafeen geproduceerd in grote lappen, terwijl tot dan toe slechts vlokjes van een paar millimeter mogelijk waren. Een belangrijke stap naar eventuele toepassingen.

Kleinere stukjes kristal

Nu grafeen met grotere afmetingen gemaakt kan worden, zijn nieuwe vragen aan de orde. Grafeen is een kristal, waarbij de koolstofatomen in het platte materiaal op een regelmatige manier – in een soort kippengaaspatroon – zijn gerangschikt. Dit kristalrooster is homogeen als grafeen een paar vierkante millimeter groot is. Maar de vraag is of dat zo blijft, als je grotere stukken grafeen wilt maken. De meeste materialen die uit kristallen bestaan, ook wel kristallijne materialen genoemd, hebben namelijk niet één homogeen kristal (monokristallijn), maar zijn een gemetseld geheel van kleinere stukjes kristal (polykristallijn).

Small
In schema, de methode om ‘grafeen in het groot’ te maken.
Nature Nanotechnology

De nieuwe methode van de Japanners en Zuid-Koreanen om grafeen te maken is een chemische methode, chemical vapour deposition. Hierbij slaan atomen van een gas neer op een voedingsbodem. Deze atomen zoeken een buurman om aan te plakken, waardoor langzaam een materiaal van de bodem omhoog ‘groeit’. Het is goed voor te stellen dat dit niet overal gelijkmatig gebeurd, waardoor het grafeen op dat moment niet uit één homogeen kristal bestaat. Dat is van belang, want die afzonderlijke stukjes kristal, ook wel korrels genoemd, en de grenzen tussen de korrels (korrelgrenzen) kunnen van invloed zijn op de sterkte en geleiding van grafeen.

Gevlochten kristallen

Onderzoekers van de Cornell University (VS) wilden duidelijkheid hierover geven. Ze maakten grafeen op de manier van de Japanse en Zuid-Koreaanse wetenschappers en gebruikten een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) met een speciale techniek genaamd diffraction-filtered imaging. Simpelweg kwam de techniek op het volgende neer. De TEM schoot elektronen af op het oppervlak van grafeen. Deze elektronen werden afgeketst van het oppervlak, maar eventuele korrels zouden de richting waarin dit gebeurt beïnvloeden. Door kleuren toe te kennen aan de verschillende richtingen waarin elektronen werden afgeketst, konden de onderzoekers een verhelderend beeld geven van hoe het oppervlak van grafeen eruit ziet.

Small
Het lijkt een mooi schilderij of lappendeken, maar het is toch echt grafeen onder de elektronenmicroscoop. Het is 100.000 atomen breed, dat komt overeen met een paar micrometer.
P.Y. Huang, D. A. Muller (Cornell University)

Het resultaat is een verrassend mooi plaatje, dat eerder artistiek van aard is, dan wetenschappelijk (zie afbeelding links). Grafeen blijkt op een zeer vernuftige manier in elkaar gevlochten, als een soort lappendeken. De gemiddelde grootte van de korrels is zo’n 250 nanometer. Het vermoeden dat grafeen uit kleinere stukjes kristal (korrels) bestaat is hiermee bevestigd. Vervolgens onderzochten de Amerikanen de invloed van korrelgrenzen op de sterkte en geleiding van grafeen. Die eigenschappen zijn beide interessant, want grafeen staat bekend als het sterkste materiaal ooit en de geleiding is bijzonder hoog: de elektronen zoeven zonder gewicht door het materiaal.

Uniek geval

In het geval van de sterkte is er inderdaad sprake van invloed. Grotere stukken grafeen zijn beduidend minder stevig door de aanwezigheid van korrelgrenzen. Ook de geleiding is minder goed, maar verrassend genoeg is de schade hierbij niet zo groot. De onderzoekers vonden dat de elektrische weerstand van een korrelgrens minder dan drie keer zo hoog is als de weerstand van een enkele korrel, een homogeen stukje grafeen. Bij andere kristallijne materialen, zoals strontiumtitaanoxide is de weerstand van de korrelgrenzen maar liefst een paar miljoen keer groter dan enkele korrels. Zoals zo vaak blijkt grafeen ook nu weer een uniek geval.

“Als dit allemaal klopt, is dat goed nieuws”, zegt Uli Zeitler, materiaalfysicus aan de Radboud Universiteit Nijmegen. Hoewel Zeitler zich met name bezig houdt met de fundamentele kant van grafeen en ook deze productiemethode van grafeen niet gebruikt, denkt hij dat het voor elektronica en beeldschermtoepassingen van belang is. “Een fabrikant wil het liefst een materiaal met zo min mogelijk defecten, net als wij dat willen als we eigenschappen van het materiaal bestuderen. Dus als korrelgrenzen weinig invloed hebben, is dat zeker gunstig.”

Bron:

D.A. Muller e.a. Grains and grain boundaries in single-layer graphene atomic patchwork quilts, Nature (online), 5 januari 2011. DOI:10.1038/nature09718

Lees meer over grafeen:

Wat is grafeen, waarom is het zo bijzonder en wat kunnen we ermee? Word in één klap expert op het gebied van grafeen met ons overzichtelijke Kennislinkdossier.

De laatste artikelen over grafeen op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/grafeen/index.atom?m=en", “max”=>"10", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 11 januari 2011

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.