Grafeenin nanorypyt voivat muokata sähköisyyttä

Rice yliopiston tutkijat ovat osoittaneet, että grafeenin pienet rypyt voivat muuttaa materiaalin sähköisiä ominaisuuksia, mikä tarjoaa todisteita fleksoelektrisyydestä, ilmiöstä, jossa materiaali tuottaa sähkövarauksen taivuttaessaan epätasaisesti.

”Työmme osoittaa, että jopa tavallisesta rypystä voi tulla ainutlaatuinen elektroninen ominaisuus atomitasolla tarkasteltuna”, sanoo professori Pulickel Ajayan. ”Osoittamalla, että pelkkä geometria voi muokata grafeenin sähköistä käyttäytymistä, avaamme uuden polun sellaisten materiaalien suunnittelulle, joiden ominaisuuksia voidaan kontrolloida rakenteen eikä kemian avulla.”

Grafeeni on vain yhden atomin paksuinen hiilikerros. Tässä työssä tutkimusryhmä tutki luonnollisesti muodostuneita ryppyjä, joissa taivutukset puristuivat alle metrin miljardisosaa oleviin tiloihin, joissa äärimmäinen kaarevuus voi siirtää elektroneja materiaalin toiselle puolelle. ”Tuossa mittakaavassa grafeenin elektronit siirtyvät hieman toiselle puolelle, jolloin muodostuu kaksi vastakkaista sähköistä puolta kuin pienen akun päät.”

Tutkijat havaitsivat, että rypyt toimivat kuin rivit pieniä sähköisiä hidastetöyssyjä. Niiden jyrkästi kaarevat kärjet muuttivat paikallista sähköenergiaa ja tuottivat johdonmukaisesti sähkövirran, kun niihin syötettiin noin yksi voltti sähköä, mikä vastasi tarkasti tietokonemallien ennusteita.

Sähköinen vaste riippui ryppyjen terävyydestä pikemminkin kuin niiden korkeudesta. Tutkijat arvioivat, että syntyvä sähkövarausten erottuminen eli polarisaatio oli 100 000–10 miljoonaa kertaa voimakkaampi kuin paljon suuremmissa fleksoelektrisissä järjestelmissä.

”Rypyn terävyys osoittautui paljon tärkeämmäksi kuin sen kokonaiskoko”,  Ajay Iyengar sanoi. ”Se kertoo meille, että voimme mahdollisesti säätää sähköistä käyttäytymistä muokkaamalla tarkasti kaarevuutta nanoskaalassa.”

Tutkijoiden mukaan löydökset voisivat auttaa tieteilijöitä selvittämään, voisiko grafeenin ryppyjen kaarevuuden hallinta tarjota keinon säätää materiaalin sähköistä käyttäytymistä. Tämä lähestymistapa voisi lopulta tukea herkempien antureiden ja ultraohuiden elektronisten laitteiden kehittämistä.

”Luonto luo jo näitä pieniä ryppyjä meille”, Iyengar sanoi. ”Ymmärrys siitä, miten ne vaikuttavat sähköiseen käyttäytymiseen, antaa tiedemiehille uuden työkalun tulevaisuuden teknologioiden suunnitteluun käyttämällä hyväkseen itse materiaalin rakennetta.”

Aiheesta aiemmin:

Rypyttämällä ultratehokasta elektroniikkaa

Nätisti taittuva näyttöteknologia