Vědci umí díky unikátnímu spojení dvou metod zjistit vady grafenu

Grafen má velmi unikátní vlastnosti a mohl by vylepšit mnoho součástek a přístrojů. Pro úspěšné využití tohoto 2D materiálu v praxi je podstatné detailní pochopení jeho fyzikálně-chemických vlastností - včetně role strukturních defektů. Vědci z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského Akademie věd ČR zjistili, že když zkombinují dvě různé metody měření, mohou určit, jakou roli defekty grafenu hrají v přechodech mezi elektronickými stavy a elektrochemickými reakcemi. 

Studie vyšla v časopise The Journal of Physical Chemistry Letters. Pozornost vědců 2D materiály přitahují dlouhodobě. Jako první objevili před 15 lety grafen, který má nečekané vlastnosti. Jde o rovinnou síť jedné vrstvy atomů uhlíku uspořádaných do tvaru šestiúhelníků. Ač se vyrábí z grafitu, je průhledný, takže se dá využít při výrobě displejů a fotovoltaických článků. Je možné jej také uplatnit u produktů využívajících přenos elektrického náboje, např. baterií, superkapacitorů či senzorů. Právě na přenos elektrického náboje se ve svém výzkumu zaměřili vědci Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského Akademie věd ČR (ÚFCH JH).

Překvapení při měření 

Pro výzkum experti využili monokrystaly grafenu o velikosti několika desítek mikrometrů. Přenos elektrického náboje v grafenu je v současné době velmi diskutovaný jev. Na okrajích vzorku se náboj přenáší rychleji než v centrální části, tzv. bazální rovině, kde se nachází minimum defektů. Doposud ale bylo velmi obtížné přímým měřením odlišit, kudy a s jakou rychlostí náboj putoval. 

Vědci pomocí tzv. mikrokapkové elektrochemie přenesli na bazální rovinu vzorku grafenu elektrický náboj a pomocí Ramanské spektroskopie změřili spektrální posun. Všimli si, že očekávané vychýlení ve spektrálním posunu se v závislosti na vloženém náboji rozdělilo a vykazovalo dva vrcholy (viz obr.).

Naměřené hodnoty posunu spektra na začátku experimentu odpovídaly očekávání, zdálo se, že bazální rovina vzorku grafenu neobsahuje žádné defekty (modrá křivka). V průběhu experimentu se ale hodnoty začaly odchylovat (červená křivka).

Kombinace dvou metod je výhodná 

Odborníci došli k závěru, že důvodem pro vznik dvou vrcholů ve spektru je existence dvou různých probíhajících procesů s odlišnou rychlostí přenosu elektrického náboje. Tento závěr není pozorovatelný samotnou Ramanskou spektroskopií, což vyzdvihuje výhody simultánní kombinace různých experimentálních metod.

„Kombinace těchto dvou metod nám umožňuje efektivně přenášet elektrický náboj na grafen a také měřit výsledný efekt na optické a elektrochemické vlastnosti grafenu,“ říká Matěj Velický, spoluautor studie.

Pro praktické využití grafenu v přístrojích, bateriích či senzorech je důležité vědět, jak rychle grafen přenáší elektrický náboj a jak tato rychlost souvisí s defekty materiálu. Díky unikátnímu spojení dvou velmi odlišných metod je nyní možné tyto vlastnosti měřit.

Takto probíhalo měření mikrokapkové elektrochemie simultánně s Ramanskou spektroskopií.  Laserem červeně osvětlená kapilára se používá pro tvorbu mikrokapek, objektiv nad ní potom pro vizualizaci mikrokapek a vzorků a pro měření Ramanského signálu.

Více informací:    

Ing. Matěj Velický, Ph.D. 
Ústav fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR 
matej.velickyjh-inst.cas.cz
+420 266 053 755