Smuts ställer till det i tvådimensionella material

De tvådimensionella materialen får inte de fantastiska egenskaper de borde ha. Linda Karlsson har studerat både grafen och MXene, in på bara atomerna, och funnit en mängd smutspartiklar på ytan.

– Tack vare elektronmikroskopet Arwen har vi för första gången kunnat se vad det är som händer i de tvådimensionella materialen, på atomnivå, säger Linda Karlsson, nybliven filosofie doktor i tunnfilmsfysik.

Linda Karlsson, tunnfilmsfysikFoto: Monica WestmanDe senaste åren har hon ägnat åt att försöka förstå vad det är som händer på ytan i de tvådimensionella materialen och varför grafen och MXene när de tillverkas inte riktigt har de fantastiska egenskaper de skulle kunna ha enligt teorierna.

Stora förhoppningar på grafen

Grafen är kanske det mest kända tvådimensionella materialet – det består av ett lager kolatomer ordnade i ett hexagonalt nät. Stora förhoppningar har ställts till grafen för utveckling av framtidens böjliga och snabba elektronik och på marknaden finns i dag de första pekskärmarna med grafen. Men det återstår mycket forskning innan grafenets fantastiska egenskaper uppnås.

Två tillverkningsmetoder dominerar. Dels en metod där man under värme får kolet i metan att fästa på koppar. Kolet bildar då en tunt lager grafen på ytan. För att grafenet inte ska spricka eller skrynklas lägger man på en polymer, en plast, för att sedan kunna etsa bort kopparn. Plasten tas därefter bort med aceton och grafenet ligger rent och klart. Trodde man, tills Linda Karlsson började studera ytan i ett av Nordens mest kraftfulla elektronmikroskop, Arwen.

– Det visade sig att det ligger plastrester kvar lite överallt liksom rester av etsvätskan. Smutspartiklarna ändrar grafenets egenskaper, förklarar Linda Karlsson.

Metaller som järn, koppar, silver och guld kan användas om man faktiskt vill ändra på egenskaperna, men då behöver materialet vara rent från början.

Kiselkarbid ger ren grafen

Forskarna har testat att värma upp grafenet till 1200 grader, men det hjälpte inte. Antalet partiklar hade visserligen minskat men de hade lagt sig intill varandra på olika sidor om grafenet.

Med den andra metoden där grafen tillverkas på kiselkarbid, en metod som LiU-forskare utvecklat, blir det däremot rent. Här hettas kiselkarbiden upp, kislet förångas och kolet bildar en tunn hinna på ytan. Men grafenet ligger då på kiselkarbid och kan användas i tillämpningar där det passar, exempelvis för kraftelektronik.

– Men vi behöver nog gå tillbaka till grunden och hitta nya sätt att få bort plasten, eller använda en annan polymer, och hitta andra kemikalier för att etsa bort kopparn, säger Linda Karlsson.

MXene närmare användning

Hon har även studerat MXene, en hel familj av ämnen som består av en övergångsmetall, M, och kol eller kväve, X.

-– MXene är nog närmare bred användning, säger hon.

I första hand har hon studerat ett material som består av titan och kol, Ti3C2 som anses ha stor potential som anodmaterial i litiumbatterier.

Hon har studerat prov som består av några lager av det tvådimensionella materialet. Att det är tvådimensionellt innebär att elektronerna bara rör sig i ett plan, inte upp och ner. I vanliga material rör sig elektronerna åt alla håll.

– Vi har tidigare sett att ämnen som ligger och skräpar från framställningen påverkar MXenets egenskaper, men vi har inte vetat hur de sitter, säger hon.

Det Linda Karlsson upptäckte i elektronmikroskopet var att smutspartiklarna är slumpvis utspridda, men klustrade – de förekommer i klumpar. När partiklarna rör sig utmed ytan fastnar de i kanter på ytan och de dras också till defekter i materialet.

Linda Karlsson, tunnfilmsfysikFoto: Monica Westman– Men ytan är inte täckt, det finns även områden helt utan främmande atomer, säger hon.

Behöver kunna påverka tillverkningen

Hennes forskning har ökat förståelsen för hur det kan bli möjligt att påverka tillverkningsprocessen, men mer forskning behövs. Materialen får heller inte komma i kontakt med luft, för syre och partiklar i luften ställer också till problem.

– Vi vill kunna kontrollera vad som finns på ytan, det finns även atomer och molekyler som ger materialet spännande egenskaper, säger hon.

Det återstår en hel del forskning innan de tvådimensionella materialen med alla de lovande egenskaperna finns framme.

– Men kan vi få ordning på ytorna så kanske de positiva egenskaperna ändå räcker för att byta ut andra dyrare material. Det finns exempelvis även tennisracket på marknaden idag med grafen-flagor i skaftet som gör det extra elastiskt.

Avhandlingen: Transmission Electron Microscopy of 2D Materials, Linda Karlsson, Tunnfilmsfysik, Institutionen för kemi, fysik och biologi, IFM, Linköpings universitet 2016. Huvudhandledare var professor Per Persson.

Kontakt