Die Migration von Kohlenstoffatomen an die Oberfläche von Graphen-Nanomaterial wurde kürzlich erstmals gemessen. Obwohl sich Atome zu schnell bewegen, um direkt mit einem Elektronenmikroskop beobachtet zu werden, konnte ihr Einfluss auf die Stabilität des Materials nun indirekt bestimmt werden, indem das Material auf einer mikroskopischen Heizplatte erhitzt wurde. Die Studie von Forschenden der Fakultät für Physik der Universität Wien wurde im Fachblatt Carbon veröffentlicht.
Kohlenstoff ist ein essentielles Element für alles bekannte Leben und kommt in der Natur hauptsächlich als Graphit oder Diamant vor. In den letzten Jahrzehnten haben Materialwissenschaftler viele neue Formen von Kohlenstoff geschaffen, darunter Fullerene, Kohlenstoffnanoröhren und Graphen. Insbesondere Graphen wird intensiv erforscht, nicht nur wegen seiner herausragenden Eigenschaften, sondern auch, weil es sich besonders gut zum Experimentieren und Modellieren eignet. Einige grundlegende Prozesse wurden jedoch noch nicht gemessen, darunter die Bewegung von Kohlenstoffatomen auf ihrer Oberfläche. Diese zufällige Bewegung ist der atomare Ursprung des Diffusionsphänomens.
Diffusion (von lat. „diffundere“: ausbreiten, zerstreuen) beschreibt 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 den Ozeanen. In der technischen Industrie ist es von herausragender Bedeutung für die Produktion von Stahl, Lithium-Ionen-Batterien und Brennstoffzellen, um nur einige zu nennen. In der Materialwissenschaft erklärt die Diffusion an die Oberfläche von Festkörpern, wie bestimmte katalytische Reaktionen ablaufen und wie viele kristalline Materialien, einschließlich Graphen, gezüchtet werden.
Die Diffusionsgeschwindigkeit zur Oberfläche hängt im Allgemeinen von der Temperatur ab: Je wärmer es ist, desto schneller diffundieren die Partikel. Indem man diese Geschwindigkeit bei verschiedenen Temperaturen misst, kann man im Prinzip die Energiebarriere bestimmen, die beschreibt, wie leicht sich (in diesem Fall) Atome auf der Oberfläche von einem Ort zum anderen bewegen können. Dies ist jedoch nicht möglich, wenn die Atome nicht lange genug an Ort und Stelle gehalten werden, wie es bei Graphen-Kohlenstoffatomen der Fall ist. Daher basiert unser Verständnis bisher 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.
Durch die Visualisierung der atomaren Struktur von Graphen mit Elektronen und gelegentlich ausgestoßenen Atomen konnten die Forscher bestimmen, wie schnell sich Kohlenstoffatome von der Oberfläche entfernen müssen, um das Füllen der entstehenden Löcher bei hohen Temperaturen zu erklären. Somit konnte durch die Kombination von Elektronenmikroskopie, Computersimulationen und dem Verständnis der Wechselwirkung zwischen Bilderzeugung und Diffusion eine Schätzung der Energiebarriere bestimmt werden. „Nach sorgfältiger Analyse konnten wir einen Wert von 0,33 Elektronenvolt ermitteln, etwas niedriger als erwartet“, sagt Erstautor Andreas Postl.
Die Studie ist auch ein Beispiel für einen glücklichen Zufall in der Forschung. Das ursprüngliche Ziel des Teams war es, die Temperaturabhängigkeit von Strahlungsschäden durch Elektronen zu messen. „Ehrlich gesagt war es nicht das, was wir ursprünglich untersuchen wollten. Diese Entdeckungen in der Wissenschaft passieren jedoch oft, wenn kleine, aber unerwartete Details beharrlich untersucht werden“, fasst Hauptautor Toma Susi zusammen.
Die Arbeit des Wiener Teams wurde vom European Research Council (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union (Grant Agreement Nr. 756277-ATMEN) und von der Vienna Doctoral School of Physics (VDS-P) unterstützt. .
Indirekte Messung der Migrationsbarriere vom Kohlenstoffatom zu 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
Illustration:
FEIGE. 1: Ein Kohlenstoffatom (orange hervorgehoben), das sich auf der Oberfläche von Graphen bei hoher Temperatur in Richtung Vakuum bewegt, kollidiert mit einem Strahl von Rasterelektronen (hellgrün-gelb), die sich derselben Position nähern . (© Konzept: Toma Susi / Uni. Wien, Grafik: Ella Maru Studio)