211service.com
Groter, rekbaarder grafeen
Koreaanse onderzoekers hebben een manier gevonden om grote grafeenfilms te maken die zowel sterk als rekbaar zijn en de beste elektrische eigenschappen tot nu toe hebben. Deze atoomdikke platen koolstof zijn een veelbelovend materiaal voor het maken van flexibele, doorzichtige elektroden en transistors voor platte beeldschermen. Grafeen zou ook kunnen leiden tot opvouwbare OLED-schermen (Organic Light Emitting Diode) en organische zonnecellen. Het was echter niet eenvoudig om een manier te vinden om grote, hoogwaardige vellen grafeen te maken.
Groot en buigzaam: een transparante grafeenfilm, twee centimeter aan elke kant, rekt en buigt wanneer deze wordt overgebracht op een rubberen stempel. De stempel kan worden gebruikt om de film op elke ondergrond af te zetten.
Onderzoekers van de Sungkyunkwan University en het Samsung Advanced Institute of Technology, in Suwon, Korea, hebben centimeters brede grafeenfilms gemaakt die 80 procent transparant zijn en kunnen worden gebogen en uitgerekt zonder te breken of hun elektrische eigenschappen te verliezen. Anderen hebben met eenvoudigere technieken grote grafeenfilms gemaakt, maar de nieuwe films zijn 30 keer beter geleidend. Bovendien is het eenvoudig om de nieuwe films op verschillende ondergronden over te brengen. We hebben aangetoond dat grafeen een van de beste materialen is voor rekbare transparante elektronica, zegt Byung Hee Hong , die het werk leidde, dat is gepubliceerd in Natuur .
Grafeen is een uitstekende geleider en transporteert elektronen tientallen keren sneller dan silicium. Het zou de brosse indiumtinoxide (ITO)-elektroden kunnen vervangen die momenteel worden gebruikt in displays, organische zonnecellen en aanraakschermen. Grafeentransistors kunnen ook dunne-filmtransistors van silicium vervangen, die niet transparant zijn en moeilijk op plastic te fabriceren zijn.
De eenvoudigste manier om minuscule vlokken van hoogwaardig grafeen te maken, is door grafeenlagen van grafiet af te pellen (wat in wezen slechts een stapel grafeenvellen is). Vorig jaar heeft een groep onder leiding van de Rutgers University-hoogleraar materiaalwetenschap en techniek Manish Chhohalla bedacht een methode om stukjes op centimeterschaal te maken voor praktische toepassingen. De onderzoekers losten grafietoxide op in water, waardoor een suspensie van afzonderlijke grafeenoxidevellen ontstond, die ze op een flexibel substraat afzetten.
De Koreaanse onderzoekers gebruiken een methode die chemische dampafzetting wordt genoemd. Eerst zetten ze een 300 nanometer dikke laag nikkel af op een siliciumsubstraat. Vervolgens verwarmen ze dit substraat in aanwezigheid van methaan tot 1.000 Cº en koelen het vervolgens snel af tot kamertemperatuur. Hierdoor blijven grafeenfilms achter met zes tot tien grafeenlagen bovenop het nikkel. Door de nikkellaag van een patroon te voorzien, kunnen de onderzoekers grafeenfilms met patronen maken.
Anderen, zoals MIT hoogleraar elektrotechniek Jing Kong , werken aan vergelijkbare benaderingen om grote stukken grafeen te maken. Maar de Koreaanse onderzoekers gingen nog een stap verder en brachten de films over op flexibele substraten met behoud van hoge kwaliteit. De overdracht gebeurt op twee manieren. Een daarvan is om het nikkel in een oplossing weg te etsen, zodat de grafeenfilm op het oppervlak drijft, klaar om op elk substraat te worden afgezet. Een eenvoudigere truc is om een rubberen stempel te gebruiken om de film over te brengen.
Professor natuurkunde aan de Columbia University Philip Kim , die co-auteur is van het nieuwe artikel, zegt dat chemische dampafzetting een van de goedkoopste manieren is om op grote schaal kwaliteitsgrafeen te maken en compatibel moet zijn met bestaande halfgeleiderfabricagetechnologieën. Op dit moment kunnen de onderzoekers stukjes van vier inch maken, maar Hong zegt dat ze het proces gemakkelijk kunnen opschalen.
De nieuwe grafeenfilms zijn minder defect dan de films die in het verleden zijn gemaakt, zegt Hong. Daarom zijn ze ongeveer 30 keer beter geleidend en hebben ze ongeveer 20 keer meer mobiliteit dan eerdere grafeenvellen. De geleidbaarheid is voldoende voor sommige instaptoepassingen in kleine LCD-schermen en aanraakschermen, zegt Contact opnemen met Yang , een professor materiaalwetenschap en techniek aan de Universiteit van Californië, Los Angeles. Hij voegt er echter aan toe dat de geleidbaarheid nog steeds 10 keer beter moet zijn om ITO in organische zonnecellen en OLED's te vervangen.
Veel andere materialen komen in aanmerking voor transparante, buigbare elektronica. Koolstofnanobuisjes zouden een geduchte concurrent kunnen zijn. Onderzoekers boeken bijvoorbeeld vooruitgang met het maken van flexibele nanobuistransistors, en Unidym , gevestigd in Menlo Park, CA, zal binnenkort beginnen met de verkoop van met nanobuisjes gecoate plastic films, die kunnen worden gebruikt in plaats van ITO-coatings op displays.
Anderen hebben flexibele, doorzichtige transistors gemaakt met behulp van indiumoxide-coatings of zinkoxide- en indiumoxide-nanodraden. Ondertussen hebben onderzoekers van de Universiteit van Michigan transparante elektroden gemaakt met behulp van een raster van zeer dunne metalen draden.
Het voordeel van grafeen kan zijn uitzonderlijke sterkte en hoge mobiliteit zijn (naar verwachting twee keer zo groot als die van nanobuisjes). Tao He, een grafeenonderzoeker aan de Rice University, zegt dat de geleidbaarheids- en mobiliteitswaarden van de nieuwe films indrukwekkend zijn. Ik heb geen [ander werk] gezien dat vergelijkbaar of vergelijkbaar is met dit, zegt hij, eraan toevoegend dat het nieuwe werk grootschalige, goedkope productie van flexibele grafeenelektronica mogelijk zou kunnen maken.