211service.com
Hoe maak je grafeen?
Grafeen - een platte enkele laag koolstofatomen - kan elektronen met opmerkelijke snelheden transporteren, waardoor het een veelbelovend materiaal is voor elektronische apparaten. Tot voor kort konden onderzoekers slechts kleine schilfers van het materiaal maken, en alleen in kleine hoeveelheden. Onderzoekers van de Rutgers University hebben echter een eenvoudige manier ontwikkeld om transparante grafeenfilms te maken die enkele centimeters breed en één tot vijf nanometer dik zijn.
Flexibel proces: Een nieuwe fabricagemethode ontwikkeld door onderzoekers van de Rutgers University kan een film van grafeen - een atoomdikke koolstoflaag - op bijna elk substraat afzetten, inclusief het flexibele plastic dat hier wordt getoond. De films kunnen worden gebruikt in dunnefilmtransistors of als geleidende elektroden voor organische zonnecellen.
Dunne films van grafeen zouden een goedkope vervanging kunnen zijn voor de transparante, geleidende indiumtinoxide-elektroden die in organische zonnecellen worden gebruikt. Ze zouden ook de dunne-filmtransistors van silicium kunnen vervangen die gebruikelijk zijn in beeldschermen. Grafeen kan elektronen tientallen keren sneller transporteren dan silicium, dus op grafeen gebaseerde transistors zouden sneller kunnen werken en minder stroom verbruiken. (Zie grafeentransistoren en betere grafeentransistoren.)
In feite, professor materiaalkunde en techniek van Rutgers Manish Chhohalla en zijn collega's gebruikten hun grafeenfilms om prototypetransistors en organische zonne-oproepen te maken. in een recente Natuur Nanotechnologie papier , toonden ze aan dat ze de transparante films op elk substraat kunnen deponeren, inclusief glas en flexibel plastic. Chhowalla zegt dat de methode kan worden aangepast aan een grotere schaal om meters en meters substraten te coaten met grafeenfilms, met behulp van roll-to-roll-verwerking, een techniek die wordt ontwikkeld om grote flexibele elektronische circuits te maken.
Daarentegen leveren de huidige technieken voor het maken van grafeen kleine hoeveelheden van het materiaal op, die alleen geschikt zijn voor experimenteel gebruik. Een veelgebruikte techniek is de Scotch-tape-methode, waarbij een stuk tape wordt gebruikt om grafeenvlokken van een stuk grafiet af te pellen, dat in wezen een stapel grafeenvellen is. Dit resulteert in grafeenfragmenten ter grootte van een micrometer, die tussen elektroden worden geplaatst om een transistor te maken. Maar als je het hebt over grootschalige apparaten, wil je macroscopische [sheets] maken, zegt Hannes Schniepp , een grafeenonderzoeker aan de Princeton University. Daarvoor moet je de assemblage van kleinere grafeenstukken over een groot gebied leiden, zegt Schniepp, en dat is precies wat de Rutgers-onderzoekers doen.
De onderzoekers beginnen met het maken van een suspensie van grafeenoxidevlokken. Ze oxideren grafietvlokken met zwavelzuur of salpeterzuur. Hierdoor worden zuurstofatomen tussen afzonderlijke grafeenplaten ingevoegd en worden ze uit elkaar gedrukt, wat resulteert in grafeenoxideplaten, die in water worden gesuspendeerd.
De suspensie wordt gefiltreerd door een membraan met poriën van 25 nanometer breed. Water stroomt door de poriën, maar de grafeenoxidevlokken, elk enkele micrometers breed en ongeveer een nanometer dik, bedekken de poriën. Dit gebeurt op een gereguleerde manier, zegt Chhohalla. Wanneer een vlok een porie bedekt, wordt het water naar de onbedekte buren geleid, die op hun beurt worden bedekt, totdat de vlokken zich over het hele oppervlak verspreiden. Met de methode kun je enkele lagen grafeen deponeren, zegt Chhohalla. [Het] resulteert in een bijna uniforme film die op het membraan wordt afgezet. De onderzoekers plaatsen de filmomhulde kant van het membraan op een substraat, zoals glas of plastic, en spoelen het membraan weg met aceton. Ten slotte stellen ze de film bloot aan een chemische stof genaamd hydrazine, die het grafeenoxide omzet in grafeen.
James Tour , een professor scheikunde aan de Rice University, zegt dat dit zeker de gemakkelijkste methode is die ik heb gezien om [dunne grafeenfilms] over grote gebieden te maken. Hij denkt dat het proces gemakkelijk kan worden omgezet in een grotere productietechniek op commerciële schaal. Het is zeer geschikt voor snelle productie, zegt hij. Er is niet veel voor nodig om deze dingen geproduceerd te krijgen … en grote gebieden te bestrijken.
Chhohalla en zijn collega's regelen de dikte van de film door het volume van de ophanging te veranderen. Een volume van 20 milliliter resulteert in een film die meestal één tot twee nanometer dik is, terwijl een suspensie van 80 milliliter resulteert in films die voornamelijk drie tot vijf nanometer dik zijn. De dunnere films zijn voor 95 procent transparant. De onderzoekers hebben de films gebruikt als transparante elektroden in organische zonnecellen. Ze hebben ook transistors gemaakt door hun films op een siliciumsubstraat te plaatsen en er gouden elektroden op af te zetten.
De grafeenfilms hebben veel meer werk nodig. Op dit moment voeren de transistors niet zoveel stroom als die gemaakt van individuele grafeenvlokken, wat, zo speculeren de onderzoekers, komt door overlappende vlokken in hun films. Voor hoogwaardige transistors moeten ze enkellaags grafeenfilms maken zonder overlap. Ze moeten ook de geleidbaarheid van hun film verbeteren: indiumtinoxide is nog steeds honderden keren beter geleidend. Organische zonnecellen met indiumtinoxide-elektroden zijn tussen de 3 en 5 procent efficiënt. Met dunne-film-elektroden van grafeen krijgen we 0,1 procent, zegt Chhohalla, maar dit zijn proof-of-concept-apparaten en zullen natuurlijk met de tijd verbeteren.
Tour gelooft dat de film meer belooft voor organische zonnecellen dan voor transistors. Veel onderzoekers bestuderen ook koolstof nanobuisfilms als een manier om indiumtinoxidecoatings op zonnecellen te vervangen. Maar Tour zegt dat grafeen mogelijk gemakkelijker zou zijn dan het gebruik van koolstofnanobuisjes vanwege de grotere beschikbaarheid van het materiaal. De industrie vindt het misschien ook gemakkelijker om grafeen te gebruiken vanwege de zorgen die sommige mensen hebben over de effecten van koolstofnanobuisjes op het milieu.