Le increspature del grafene rivelano un nuovo comportamento elettrico / Graphene wrinkles reveal new electrical behaviour

 Le increspature del grafene rivelano un nuovo comportamento elettrico / Graphene wrinkles reveal new electrical behaviour

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I ricercatori della Rice University hanno dimostrato che minuscole increspature nel grafene possono modificare le proprietà elettriche del materiale  / Rice University researchers have shown that tiny wrinkles in graphene can change the material’s electrical properties

I ricercatori della Rice University hanno scoperto che le increspature su scala nanometrica nel grafene possono alterarne il comportamento elettrico, fornendo prove a sostegno della flessoelettricità nei materiali sottili a livello atomico.

Lo studio dimostra che un'estrema curvatura del grafene può generare una risposta elettrica senza alterare la composizione chimica del materiale. I ricercatori suggeriscono che il controllo della forma del grafene potrebbe in futuro fornire un ulteriore metodo per modulare le sue proprietà elettroniche. Il loro lavoro è descritto in dettaglio sulla rivista Advanced Materials.

La ricerca ha esaminato le increspature naturali del grafene, dove le curvature vengono compresse in spazi inferiori ad un miliardesimo di metro di larghezza. A queste scale, la curvatura può causare lo spostamento degli elettroni verso un lato del materiale, creando una polarizzazione elettrica locale.

"Il nostro lavoro dimostra che anche una semplice ruga può trasformarsi in una straordinaria caratteristica elettronica se osservata a livello atomico", ha affermato il coautore Pulickel Ajayan, professore di ingegneria titolare della cattedra Benjamin M. e Mary Greenwood Anderson. "Dimostrando che la sola geometria può rimodellare il comportamento elettrico del grafene, apriamo una nuova strada per la progettazione di materiali le cui proprietà possono essere controllate attraverso la struttura piuttosto che attraverso la chimica."

Per studiare l'effetto, i ricercatori hanno utilizzato sonde microscopiche specializzate per caratterizzare la forma delle increspature, la loro energia elettrica locale e la corrente risultante. Sono state inoltre impiegate la spettroscopia Raman e simulazioni al computer per esaminare come la curvatura influenzi il comportamento degli elettroni.

Il gruppo ha confrontato sezioni di grafene fortemente curve con regioni piatte adiacenti, riuscendo così a distinguere gli effetti associati alle increspature dalle proprietà del materiale circostante.

"Immaginate di piegare un righello flessibile, ma la piegatura è compressa in uno spazio più piccolo di un miliardesimo di metro", ha affermato Sathvik Ajay Iyengar, ex dottorando alla Rice University ed autore principale dello studio. "A quella scala, gli elettroni nel grafene si spostano leggermente verso un lato, creando due poli elettrici opposti, come le estremità di una minuscola batteria."

Le misurazioni hanno dimostrato che le punte affilate delle rughe modificavano l'energia elettrica locale e producevano una corrente elettrica costante quando veniva applicato circa un volt. La risposta osservata era coerente con le previsioni dei modelli computerizzati dei ricercatori.

L'intensità della risposta elettrica era più strettamente legata alla nitidezza delle increspature che alla loro altezza complessiva. I ricercatori hanno stimato che la polarizzazione risultante fosse da 100.000 a 10 milioni di volte più forte di quella osservata in sistemi flessoelettrici di dimensioni molto maggiori.

"Gli studi precedenti spesso esaminavano curvature più lievi o si basavano sulla pressione esterna, rendendo difficile distinguere questo sottile effetto", ha affermato Iyengar in una dichiarazione. "Il confronto tra le pieghe fortemente curve ed il grafene piatto ci ha permesso di identificare chiaramente il ruolo della curvatura estrema."

I risultati indicano che la curvatura su scala nanometrica potrebbe fornire un mezzo per modificare le proprietà elettriche del grafene. I ricercatori hanno affermato che ulteriori studi potrebbero esaminare se il controllo deliberato delle pieghe possa essere utilizzato per regolare il comportamento di materiali sottili a livello atomico.

"La nitidezza della ruga si è rivelata molto più importante della sua dimensione complessiva", ha affermato Iyengar. "Questo ci indica che possiamo potenzialmente modulare il comportamento elettrico controllando con precisione la curvatura su scala nanometrica."

La flessoelettricità si riferisce alla generazione di polarizzazione elettrica in risposta ad un gradiente di deformazione, ovvero quando l'entità della deformazione varia all'interno di un materiale. L'effetto è generalmente associato a materiali sottoposti a flessione o deformazione non uniforme.

Secondo i ricercatori, comprendere come le increspature naturali del grafene influenzino il comportamento elettrico potrebbe fornire un ulteriore approccio alla progettazione di componenti elettronici e sensori su scala nanometrica.

"La natura crea già queste minuscole rughe per noi", ha affermato Iyengar. "Comprendere come influenzano il comportamento elettrico offre agli scienziati un ulteriore strumento per progettare tecnologie future sfruttando la struttura stessa del materiale."

Gli altri autori dello studio sono James McHugh dell'Università di Manchester; Jonathan Salvage dell'Università di Brighton; Robert Vajtai della Rice University; Venkataramana Gadhamshetty della South Dakota School of Mines and Technology; e il co-autore corrispondente Alan Dalton dell'Università del Sussex.

ENGLISH

Rice University researchers have found that nanoscale wrinkles in graphene can alter its electrical behaviour, providing evidence for flexoelectricity in atomically thin materials.

The study shows that extreme curvature in graphene can generate an electrical response without changing the material’s chemical composition. The researchers suggest that controlling the shape of graphene could eventually provide another way to tune its electronic properties. Their work is detailed in Advanced Materials.

The research examined naturally occurring wrinkles in graphene where bends are compressed into spaces less than a billionth of a metre wide. At these scales, the curvature can cause electrons to shift towards one side of the material, creating a local electrical polarisation.

“Our work shows that even an ordinary wrinkle can become an extraordinary electronic feature when viewed at the atomic scale,” said co-corresponding author Pulickel Ajayan, the Benjamin M. and Mary Greenwood Anderson Professor of Engineering. “By demonstrating that geometry alone can reshape electrical behaviour in graphene, we open a new pathway for designing materials whose properties can be controlled through structure rather than chemistry.”

To investigate the effect, the researchers used specialised microscope probes to characterise the shape of the wrinkles, their local electrical energy and the resulting current. Raman spectroscopy and computer simulations were also used to examine how curvature affects electron behaviour.

The team compared sharply curved sections of graphene with nearby flat regions, allowing them to distinguish the effects associated with the wrinkles from the properties of the surrounding material.

“Imagine bending a flexible ruler, except the bend is squeezed into a space smaller than a billionth of a metre,” said Sathvik Ajay Iyengar, a former Rice doctoral student and lead author of the study. “At that scale, the electrons in graphene shift slightly toward one side, creating two opposite electrical sides like the ends of a tiny battery.”

The measurements showed that the sharp tips of the wrinkles changed the local electrical energy and produced a consistent electrical current when approximately one volt was applied. The observed response was consistent with predictions from the researchers’ computer models.

The strength of the electrical response was linked more closely to the sharpness of the wrinkles than to their overall height. The researchers estimated that the resulting polarisation was between 100,000 and 10 million times stronger than that observed in much larger flexoelectric systems.

“Earlier studies often examined gentler bends or relied on external pressure, making this subtle effect difficult to separate,” Iyengar said in a statement. “Comparing the sharply curved wrinkles with flat graphene allowed us to clearly identify the role of extreme curvature.”

The findings indicate that nanoscale curvature could provide a means of modifying graphene’s electrical properties. The researchers said further work could examine whether deliberately controlling wrinkles could be used to adjust the behaviour of atomically thin materials.

“The sharpness of the wrinkle turned out to be much more important than its overall size,” said Iyengar. “That tells us we can potentially tune electrical behaviour by carefully controlling curvature at the nanoscale.”

Flexoelectricity refers to the generation of electrical polarisation in response to a strain gradient, meaning that the amount of deformation varies across a material. The effect is generally associated with materials undergoing uneven bending or deformation.

The researchers said understanding how naturally occurring graphene wrinkles affect electrical behaviour could provide an additional approach to designing nanoscale electronic components and sensors.

“Nature already creates these tiny wrinkles for us,” Iyengar said. “Understanding how they influence electrical behaviour gives scientists another tool for designing future technologies using the structure of a material itself.”

The study's additional authors are James McHugh of Manchester University; Jonathan Salvage of Brighton University; Robert Vajtai of Rice University; Venkataramana Gadhamshetty of South Dakota School of Mines and Technology; and co-corresponding author Alan Dalton of Sussex University.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/graphene-creases-reveal-new-electrical-behaviour?rcip=giuseppecotellessa%40libero.it&utm_campaign=Daily%20Bulletin%20-140826%20-%20Friday&utm_content=&utm_term=https%3A%2F%2Fwww.theengineer.co.uk%2Fcontent%2Fnews%2Fgraphene-creases-reveal-new-electrical-behaviour&utm_medium=email&utm_source=The%20Engineer