Le graphène et d'autres substances à un seul atome d'épaisseur sont une catégorie de matériaux merveilleux, avec des chercheurs du monde entier étudiant leurs propriétés électroniques pour des applications potentielles dans des technologies aussi diverses que les cellules solaires, nouveaux semi-conducteurs, capteurs, et le stockage d'énergie.

Le plus grand défi pour la conception de ces matériaux monocouche ou 2-D dans toutes leurs utilisations potentielles innombrables est le besoin d'une perfection et d'une uniformité atome par atome qui peuvent être difficiles et laborieuses à atteindre à de si petites échelles, et difficile à évaluer aussi.

"Nous essayons d'être plus malins que nature dans l'assemblage de ces matériaux, " a déclaré Michael C. Tringides, chercheur principal au laboratoire Ames du département américain de l'Énergie et professeur de physique à l'Iowa State University, qui étudie les propriétés uniques des matériaux 2D et des métaux cultivés sur du graphène, graphite, et d'autres surfaces revêtues de carbone. « Et pour ce faire, nous forçons les atomes à s'assembler d'une manière qu'ils ne feraient pas normalement. L'un des défis majeurs du domaine est de produire de manière fiable du graphène de haute qualité et d'autres matériaux similaires. »

Tringides et d'autres scientifiques du laboratoire Ames ont découvert et confirmé une méthode qui pourrait servir de moyen simple mais fiable pour tester la qualité du graphène et d'autres matériaux 2D. Il tire parti du très large fond de diffraction électronique de surface, nommé Bell-Shaped-Component (BSC) qui est fortement corrélé à un motif uniforme, ou du graphène "parfait".

Comprendre la corrélation a des implications pour un contrôle qualité fiable des matériaux 2D dans un environnement de fabrication.

"Cette découverte défie la sagesse conventionnelle, mais la corrélation entre ce phénomène étrange et le graphène de haute qualité est indéniable. En application pratique, nous le voyons s'étendre à d'autres matériaux 2-D très intéressants qui sont similaires au graphène en ayant une uniformité similaire d'une seule couche, " dit Tringides.

L'année dernière, Les chercheurs du laboratoire Ames ont découvert grâce à la diffraction des électrons à basse énergie, une technique couramment utilisée en physique pour étudier la structure cristalline des surfaces des matériaux solides, que les larges motifs de diffraction sont un indicateur qui démontre de manière fiable la haute qualité d'un matériau 2D. C'était une caractéristique du graphène de haute qualité qui se cachait essentiellement en arrière-plan, et avait été négligé dans la recherche publiée parce que c'était l'exact opposé de ce qui est généralement accepté à partir des études de diffraction - que seules les nettes, des points de diffraction brillants doivent être présents. Parce que ce résultat était contre-intuitif, une enquête plus approfondie était nécessaire dans différentes conditions expérimentales et pour comprendre l'origine du BSC, dit Tringides.

D'abord, les scientifiques ont fait pousser du graphène par recuit, ou le chauffer, à travers une gamme de températures élevées, et comparer la croissance de la diffraction BSC avec la croissance de l'autre, indicateur généralement accepté de points de diffraction nets. L'évolution du large fond de diffraction reflétait étroitement celle de la tache plus nette, ce qui prouve qu'elles sont corrélées. Deuxièmement, le groupe a ensuite expérimenté le dépôt d'atomes de métal (dans ce cas du dysprosium) à la surface et sous le graphène. Appelé intercalation, ce processus de dépôt est l'un des moyens par lesquels les scientifiques peuvent personnaliser les matériaux 2D pour des fonctions spécifiques. Dans la deuxième expérience, les scientifiques ont mesuré la croissance du BSC pendant l'intercalation - faible lorsque les atomes métalliques sont d'abord désordonnés, puis augmentant à mesure que les atomes métalliques se mettent en place entre le graphène et le substrat, créer une couche uniforme. Ainsi, alors que le BSC n'était pas un modèle de diffraction de manuel, sa cause est la mécanique quantique des manuels - car les électrons sont comprimés en une seule couche, leurs vecteurs d'onde doivent se propager, créant le diagramme de diffraction large.

La recherche est discutée plus en détail dans l'article "High Layer Uniformity of Two-Dimensional Materials Demonstredly Demonstredly from Broad Features in Surface Electron Diffraction, " rédigé par S. Chen, M. Horn von Hoegen, P.A. Thiel, A. Kaminski, B. Schrunk, T. Speliotis, E. H. Conrad, et M.C. Tringides; et publié dans le Journal des lettres de chimie physique .