Je leest:

Grafeen stopt elektronen in bubbelbad

Grafeen stopt elektronen in bubbelbad

Auteur: | 4 augustus 2010

Grafeen – het wondermateriaal van één atoomlaag dik – heeft er weer een bizarre eigenschap bij. Als je grafeen oprekt ontstaan er nanobubbels op het oppervlak. Elektronen in de bubbels gedragen zich opmerkelijk anders dan in de rest van het materiaal.

Microscoopfoto van grafeen.
Wikimedia Commons

Alsof grafeen nog niet bijzonder genoeg was. Het enkele velletje van koolstofatomen – geordend in een kippengaaspatroon – intrigeerde wetenschappers al vanaf het moment dat het voor het eerst gemaakt werd in 2004. Het materiaal is licht, supersterk en is een uitstekende geleider van elektriciteit. Die eigenschappen maken grafeen tot een goede kandidaat om ooit silicium te vervangen in toekomstige kleine en flexibele elektronica en zonnecellen.

Toch zijn er, voor het zover is, nog een aantal hobbels te nemen. Het is bijvoorbeeld lastig om grafeen in grote hoeveelheden te produceren, hoewel recentelijk veelbelovende resultaten op dit gebied zijn behaald. Een ander probleem is het beheersen van die extreem goede elektrische geleiding van grafeen. Elektronen zoeven kriskras door het materiaal, terwijl het bijvoorbeeld in elektronische schakelingen nodig is controle te hebben over de energie en richting van de elektronen. Een team Amerikaanse wetenschappers heeft nu een manier gevonden om die controle te kunnen krijgen. Door nanobubbels te laten ontstaan op het grafeenoppervlak, zo schrijven ze deze week in het toonaangevende vakblad Science.

Een met een scanning tunneling microscoop (STM) gemaakte afbeelding van een grafeenlaag met nanobubbels op het oppervlak.
UC Berkeley

Toevallig

Het team onderzoekers, van het Lawrence Berkeley National Laboratory en de Berkeley-universiteit van Californië, ontdekte toevallig dat de nanobubbels ontstaan wanneer grafeen op een bepaalde manier wordt opgerekt. Zij zagen het gebeuren nadat ze bij hoge temperatuur een laagje grafeen lieten groeien op een ondergrond van platina. Tijdens het afkoelen bleek het platina sterker te krimpen dan het bovenliggende grafeen. Het platina trok hierdoor het atoomrooster van grafeen op verschillende punten naar elkaar toe, zodat het grafeen ging rimpelen. Hierbij ontstonden de bubbels van een paar nanometer groot.

Binnenin die bubbels blijkt iets vreemds te gebeuren. De elektronen die in de bubbels terechtkomen gaan kleine cirkeltjes draaien, net alsof ze gevangen worden door een magnetisch veld. Dat magneetveld is er niet echt, maar het bizarre gedrag van de elektronen ontstaat door vervormingen in het atoomrooster van grafeen. Het magneetveld dat de elektronen lijken te voelen is extreem sterk, meer dan 300 tesla. Ter vergelijking: het grootste magneetveld dat ooit in een lab is gemaakt bedroeg 100 tesla, en dit hield het amper een seconde vol.

Binnen een nanobubbel voelt het voor elektronen alsof ze worden gegrepen door een extreem krachtig magneetveld.
Lawrence Berkeley National Laboratory

Straintronics

Met zo’n ‘nep-magneetveld’ zijn de elektronen te controleren. De cirkeltjes die de elektronen gaan draaien zijn namelijk heel klein. Daardoor kan de energie die de elektronen hebben niet meer elke waarde uit een breed spectrum van energieën aannemen, maar slechts enkele discrete waarden. Alsof er, terwijl je op een ladder staat, enkele treden weggezaagd worden en je niet meer omhoog of omlaag kunt. De elektronen worden dus als het ware ‘gevangen’ in een bepaald energieniveau. Volgens Michael Crommie, die het onderzoek leidde, biedt dit een handvat om controle te hebben over waar elektronen ophopen en met welke energie.

Let wel, deze doorbraak laat alleen zien dat elektronen in theorie te sturen zijn. Om ze ook daadwerkelijk in de goede richting te sturen is stap twee. Maar het team van Crommie heeft goede hoop. Ze streven ernaar om in de toekomst het grafeen zo op te kunnen rekken dat je de positie van de bubbels zelf kunt bepalen, en daarmee de elektrische geleiding écht kunt controleren. Dan ligt volgens Crommie de weg open voor ‘straintronics’ – apparaten die hun werking ontlenen aan het mechanisch oprekken van grafeen.

Bron

N. Levy e.a., Strain-Induced Pseudo–Magnetic Fields Greater Than 300 Tesla in Graphene Nanobubbles, Science 30 juli 2010. DOI:10.1126/science.1191700

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", “max”=>"5", “detail”=>"normaal"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 04 augustus 2010

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.