Atomen gebruiken tunnels om te ontsnappen onder grafeen

In 2004 lukte het wetenschappers om een enkele laag koolstofatomen te isoleren van een blok grafiet. Sindsdien wordt deze zogenoemde grafeenlaag geroemd om zijn grote potentieel voor allerlei veelbelovende toepassingen. Het zou snellere transistoren, zuinigere elektrische auto’s en gevoeligere sensoren mogelijk maken. Dus fast-forward naar 2018: grafeen is de bouwsteen voor onze computers, auto’s en gadgets, toch? Fout. Er zijn nog steeds weinig grootschalige grafeentoepassingen. Het probleem is dat we nog geen manier hebben bedacht om grafeen in hoge kwaliteit op het juiste substraat te produceren op industriële schaal.

Waterstof

Toch hebben onderzoekers wel een idee voor grootschalige productie. Als ze siliciumcarbide verhitten tot bijna 2000 °C, groeit er een grafeenlaag op het oppervlak. Ze moeten er echter wel voor zorgen dat het substraat de gewenste eigenschappen van het grafeen niet verstoort. Geïnjecteerde waterstofatomen tussen het grafeen en het siliciumcarbide isoleren het grafeen en laten het intact als laagjesmateriaal. De Leidse natuurkundige Sense Jan van der Molen en zijn groep hebben nu als eersten in beeld gebracht hoe die atomen zich gedragen onder het grafeen.

Kreuklijnen

De onderzoekers gebruikten hun Lage-Energie Elektronenmicroscoop (LEEM) om te zien wat er gebeurt met waterstofatomen tussen grafeen en siliciumcarbide. Ze spotten kreuklijnen in de grafeenlaag. De waterstofatomen gebruiken deze kreukels als tunnels waardoor ze gemakkelijker kunnen ontsnappen, terwijl ze veel langer blijven hangen onder de gladde stukken. "Het omgekeerde proces wordt veel gebruikt in onderzoek om het grafeen te ontkoppelen van het substraat, maar het was onduidelijk hoe het waterstof beweegt op het raakvlak. We hebben laten zien dat je waterstofgas in de tunnels kunt blazen zodat het zich snel verspreidt onder de grafeenlaag in de vorm van losse atomen."