„Heißes“ Graphen zeigt die Migration von Kohlenstoffatomen

Kürzlich wurde erstmals die Migration von Kohlenstoffatomen auf der Oberfläche eines Graphen-Nanomaterials gemessen. Obwohl sich die Atome zu schnell bewegen, um mit einem Elektronenmikroskop direkt beobachtet zu werden, lässt sich ihr Einfluss auf die Stabilität des Materials nun indirekt bestimmen, während das Material auf einer mikroskopischen Heizplatte erhitzt wird. Die Studie, durchgeführt von Forschenden der Fakultät für Physik der Universität Wien, wurde in der Fachzeitschrift Carbon veröffentlicht.

Kohlenstoff ist ein essentielles Element für alle bekannten Lebensformen und kommt in der Natur vor allem als Graphit oder Diamant vor. In den letzten Jahrzehnten haben Materialwissenschaftler viele neue Formen von Kohlenstoff geschaffen, darunter Fullerene, Kohlenstoffnanoröhren und Graphen. Insbesondere Graphen ist Gegenstand umfangreicher Forschung, nicht nur wegen seiner herausragenden Eigenschaften, sondern auch, weil es sich besonders gut zum Experimentieren und Modellieren eignet. Einige grundlegende Prozesse, einschließlich der Bewegung von Kohlenstoffatomen auf seiner Oberfläche, müssen jedoch noch gemessen werden. Diese zufällige Bewegung ist der atomare Ursprung des Phänomens der Diffusion.

Diffusion (von lat. diffundere: Diffusion und Dispersion) bezeichnet die natürliche Bewegung von Teilchen wie Atomen oder Molekülen in Gasen, Flüssigkeiten oder Festkörpern. Dieses Phänomen sorgt für eine gleichmäßige Verteilung von Sauerstoff und Salz in der Atmosphäre und in den Ozeanen. In der technischen Industrie ist es von zentraler Bedeutung für die Produktion von Stahl, Lithium-Ionen-Batterien und Brennstoffzellen, um nur einige zu nennen. In der Materialwissenschaft erklärt die Oberflächendiffusion, wie bestimmte katalytische Reaktionen ablaufen und wie viele kristalline Materialien, einschließlich Graphen, gezüchtet werden.

Die Diffusionsgeschwindigkeit an der Oberfläche hängt im Allgemeinen von der Temperatur ab: Je wärmer es ist, desto schneller breiten sich die Partikel aus. Durch die Messung dieser Geschwindigkeit bei verschiedenen Temperaturen lässt sich im Prinzip die Energiebarriere bestimmen, die beschreibt, wie leicht es (in diesem Fall) ist, Atome von einem Ort auf der Oberfläche zum anderen zu bewegen. Dies ist jedoch nicht möglich, wenn die Atome nicht lange genug an Ort und Stelle bleiben, wie es bei Kohlenstoffatomen auf Graphen der Fall ist. Daher stützt sich unser bisheriges Verständnis auf Computersimulationen. Die neue Studie überwindet diese Schwierigkeit, indem sie ihre Wirkung indirekt misst, wenn das Material auf einer mikroskopischen Heizplatte in einem Elektronenmikroskop erhitzt wird.

Indem die Atomstruktur von Graphen mit Elektronen visualisiert und die Atome gelegentlich bombardiert wurden, konnten die Forscher die Geschwindigkeit bestimmen, mit der sich die Kohlenstoffatome über die Oberfläche bewegen müssen, um das resultierende Füllen von Löchern bei erhöhten Temperaturen zu erklären. Somit kann durch Kombinieren von Elektronenmikroskopie mit Computersimulation und Verstehen der Wechselwirkung zwischen Bilderzeugung und -ausbreitung eine Abschätzung der Energiebarriere bestimmt werden. „Nach sorgfältiger Analyse konnten wir einen Wert von 0,33 eV ermitteln, das ist etwas niedriger als erwartet“, sagt Erstautor Andreas Postel.

Die Studie ist auch ein Beispiel für einen glücklichen Zufall in der Forschung. Ursprüngliches Ziel des Teams war es, die Temperaturabhängigkeit von Strahlungsschäden durch Elektronen zu messen. Seniorautor Toma Sosi fasst zusammen: „Ehrlich gesagt war das nicht das, was wir ursprünglich untersuchen wollten. Solche Entdeckungen entstehen jedoch häufig in der Wissenschaft, wenn man beharrlich kleine, aber unerwartete Details untersucht.“

Die Arbeit des Wiener Teams wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms der Europäischen Union Horizon 2020 (Grant Agreement No. 756277-ATMEN) und der Vienna Doctoral School of Physics (VDS-P) unterstützt. ).

Originalbeitrag:

Indirekte Messung der Kohlenstoffadatom-Übergangsbarriere auf Graphen: Andreas Postl, Pit Hilgert, Alexander Markevich, Jacob Madsen, Kimmo Mustonen, Jani Kotakoski, Toma Susi. Kohlenstoff (2022).

DOI: 10.1016 / j.carbon.2022.05.039

Wissenschaftlicher Kontakt
Assoz. Prof. Dr. Toma Susi
Physik Nanostrukturierter Materialien
Fakultät für Physik, Universität Wien
1090 Wien, Boltzmanngasse 5 
T +43-1-4277-728 55
toma.susi@univie.ac.at
www.mostlyphysics.net
www.univie.ac.at
  
Rückfragehinweis
Mag. Alexandra Frey
Media Relations, Universität Wien
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alexandra.frey@univie.ac.at
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