Nanopartikler kan skære grafen i nanometer smalle spor, og endda følge krystalretningerne. Nu har vi filmet det med et elektronmikroskop - live!

Endelig kan jeg skrive denne blog, det har jeg glædet mig til i over et år. Vi har haft dette studie næsten færdig i laaaang tid, men manglede en essentiel brik som endelig er faldet på plads. Vi publicerer nu en artikel i selveste Nano Letters cirka næste uge (der kommer et link hurtigst muligt)...

Inden du læser videre så check lige en video vi har lagt på youtube (der er musik på, så pas på med volumen).

Sagen er den at supermaterialet grafen, som halvdelen af verdens nanoforskere kaster sig over, er notorisk svært at "skære til", så vi kan udnytte de enestående egenskaber grafen-materialet lover i for eksempel avancerede elektroniske komponenter. De elektroniske egenskaber afhænger for eksempel af om kanterne er skåret den ene eller anden retning i forhold til det hexagonale gitter.


Og - grafenen skal skæres med meget få defekter, hvis det skal virke ordentligt - for selv små fejl ved kanten kan påvirke de elektroniske egenskaber vældig meget, og gøre det umuligt at lave brugbare komponenter ud af dem.

Det er velkendt at visse metal nanopartikler kan ætse grafen i smalle spor (samme bredde som partiklens diameter), og at disse spor endda følger krystalretningerne - det er fuldstændigt unikt, der er ingen andre måder at lave mønstre i grafen kan det.

Der skal bare en katalysepartikel (f.eks. nikkel eller sølv), varme (300C - 900C) og en gas kulstof kan reagere med, f.eks. oxygen eller brint.

For at kunne "programmere" partiklerne til at skære de mønstre vi vil have, og ikke bare skære hid og did, er det nødvendigt at studere processerne på atomart niveau - vi må finde ud af præcis hvad der foregår når de små "pacmen" æder sig vej gennem grafenen.

(nanocutting er nogenlunde det omvendte at den proces der foregår når man laver nanorør. Her omdanner man f.eks. methan til det stærke "grafen" gitter i rørform ved hjælp af en katalysepartikel. Ved "nanocutting" omdanner man grafen tilbage til en kulstof holdig gas, f.eks. CO... altså hvis man bruger ilt som ætsegas)

En af de ting der manglede i vores forståelse var hvorfor hastighederne varierer så relativt meget. Vi kunne ikke kortlægge hvor kraftigt ætse-processen reagerer på temperatur ændringer, f.eks. ved at lave et såkaldt Arhhenius plot - og derfra udlede en "aktiveringsenergi" - den energi det koster at gennemføre "skæreprocessen" per atom.

Ved at gøre partiklerne langsomme - ekstremt langsomme - kunne vi se at de bevægede sig uregelmæssigt. Somme tider stoppede de i lang tid, og pludselig rykkede de så et par hak. Det er der sådan set ikke noget underligt i - men den statistiske natur af bevægelsen fik alligevel tingene til at falde på plads. Hastighederne er Poissonfordelte - med en diskret skridtlængde på 1.4 Å - som er afstanden mellem kulstofatomerne. Dette forklarer delvist det bøvl vi har haft styr med hastighederne - den store spredning er givet ved tilfældighedsaspektet i bevægelsen.

Samtidigt har vi lavet nogle meget meget spændende studier af partiklernes form - det er jo vigtigt! . Hvis vil "programmere" processen fuldstændigt skal vi fremstille nanopartikler der er fuldstændigt ens, og bevæger sig på fuldstændigt samme måde. Og så viser det sig at partiklerne bliver formet af grafenen... det er ret heldigt og meget mærkeligt. Der er nemlig kun et par hundrede kulstof atomer der rører en partikel med flere hundrede tusinde atomer i, og det er åbenbart nok til at "tvinge" partiklen til at antage en bestemt form.

Det betyder måske at partiklerne ser meget mere ens ud når de skærer, end når de for eksempel bare ligger ovenpå grafenen, og det måske derfor ikke er så håbløst at få dem til at virke helt, helt ens - hvilket er en forudsætning for praktiske anvendelser.  

Jeg synes dette er et meget spændende "nano ingeniør" problem at styre partiklerne. Hvordan pokker skal vi styre retningen? Der er tre symmetriretninger, partiklerne følger, men det kan man jo ikke bruge til at lave mønstre med... vi er nødt til at bestemme hvilken af de tre retninger partiklerne tager.

Gæt engang hvordan vi har tænkt at styre partiklerne? (tip: man kan skære med platin, nikkel, kobolt, jern, sølv, ruthenium og sikkert også en del flere).

Så kommer det med at styre en million partikler på en gang, der hver især skærer nanometer-præcise spor, med kantruhed på.... ja måske kan vi nå ned på ... ingenting?

Måske får vi en dag "zero-disorder lithography".

Det ville være fantastisk!!!