(Phys.org) - La microscopie électronique au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie fournit des vues sans précédent des atomes individuels dans le graphène, offrant aux scientifiques une chance de libérer tout le potentiel du matériau pour des utilisations allant de la combustion des moteurs à l'électronique grand public.

Les cristaux de graphène ont été isolés pour la première fois en 2004. Ils sont bidimensionnels (un atome d'épaisseur), plus dur que les diamants et bien plus résistant que l'acier, offrant une rigidité sans précédent, propriétés électriques et thermiques. En visualisant les configurations atomiques et de liaison des atomes de graphène individuels, les scientifiques sont en mesure de suggérer des moyens d'optimiser les matériaux afin qu'ils soient mieux adaptés à des applications spécifiques.

Dans un article publié en Lettres d'examen physique , une équipe de chercheurs du Laboratoire national d'Oak Ridge et de l'Université Vanderbilt a utilisé la microscopie électronique à transmission à balayage avec correction des aberrations pour étudier la structure atomique et électronique des impuretés de silicium dans le graphène.

"Nous avons utilisé de nouveaux outils expérimentaux et informatiques pour révéler les caractéristiques de liaison des impuretés individuelles dans le graphène. Par exemple, nous pouvons maintenant faire la différence entre un atome non carboné qui est lié de manière bidimensionnelle ou tridimensionnelle dans le graphène. En réalité, nous avons enfin pu visualiser directement une configuration de collage qui était prédite dans les années 1930 mais n'a jamais été observée expérimentalement, " a déclaré le chercheur de l'ORNL Juan-Carlos Idrobo.

Les électrons en orbite autour d'un atome se répartissent en quatre grandes catégories - s, p, d et f – basés sur des facteurs tels que la symétrie et les niveaux d'énergie.

"Nous avons observé que les états d du silicium ne participent à la liaison que lorsque le silicium est coordonné en deux dimensions, " dit Idrobo. " Il y a beaucoup d'éléments comme le chrome, fer à repasser, et le cuivre où les états d ou les électrons d jouent un rôle dominant dans la détermination de la façon dont l'élément se lie dans un matériau."

En étudiant la structure atomique et électronique du graphène et en identifiant d'éventuelles impuretés, les chercheurs peuvent mieux prédire quels ajouts élémentaires amélioreront les performances du matériau.

Modifier légèrement la composition chimique du graphène pourrait personnaliser le matériau, ce qui le rend plus adapté à une variété d'applications. Par exemple, un ajout élémentaire peut faire du matériau un meilleur remplacement pour les convertisseurs catalytiques en platine dans les voitures, tandis qu'un autre peut lui permettre de mieux fonctionner dans les appareils électroniques ou comme membrane.

Le graphène a le potentiel de remplacer le fonctionnement interne des gadgets électroniques que les gens utilisent tous les jours en raison de sa capacité à conduire la chaleur et l'électricité et sa transparence optique. Il offre une alternative moins chère et plus abondante à l'indium, une ressource limitée qui est largement utilisée dans le revêtement conducteur transparent présent dans presque tous les dispositifs d'affichage électronique tels que les affichages numériques dans les voitures, téléviseurs, ordinateurs portables et gadgets portables comme les téléphones portables, tablettes et lecteurs de musique.

Les chercheurs s'attendent à ce que les techniques d'imagerie démontrées à l'ORNL soient utilisées pour comprendre les structures atomiques et les caractéristiques de liaison des atomes dans d'autres matériaux bidimensionnels, trop.