Hur man gör grafen

Grafen – ett platt enkellager av kolatomer – kan transportera elektroner med anmärkningsvärda hastigheter, vilket gör det till ett lovande material för elektroniska enheter. Fram till nyligen hade forskare bara kunnat göra små flingor av materialet, och bara i små mängder. Men Rutgers University-forskare har utvecklat ett enkelt sätt att göra transparenta grafenfilmer som är några centimeter breda och en till fem nanometer tjocka.

Flexibel process: En ny tillverkningsmetod utvecklad av forskare vid Rutgers University kan deponera en film av grafen - ett atomtjockt ark av kol - på nästan vilket underlag som helst, inklusive den flexibla plasten som visas här. Filmerna skulle kunna användas i tunnfilmstransistorer eller som ledande elektroder för organiska solceller.

Tunna filmer av grafen skulle kunna ge en billig ersättning för de transparenta, ledande indiumtennoxidelektroderna som används i organiska solceller. De kan också ersätta de tunnfilmstransistorer av kisel som är vanliga på bildskärmar. Grafen kan transportera elektroner tiotals gånger snabbare än kisel, så grafenbaserade transistorer kan arbeta snabbare och förbruka mindre ström. (Se grafentransistorer och bättre grafentransistorer.)

Faktum är att Rutgers materialvetenskap och ingenjörsprofessor Manish Chhowalla och hans kollegor använde sina grafenfilmer för att göra prototyptransistorer och organiska solenergianrop. I en nyligen Naturens nanoteknik papper , visade de att de kan deponera de transparenta filmerna på vilket underlag som helst, inklusive glas och flexibel plast. Chhowalla säger att metoden skulle kunna anpassas till en större skala för att belägga mätare och meter av substrat med grafenfilmer, med hjälp av roll-to-roll-bearbetning, en teknik som utvecklas för att göra stora flexibla elektroniska kretsar.

Däremot ger nuvarande tekniker för att göra grafen små mängder av materialet, endast lämpliga för experimentell användning. En vanlig teknik kallas Scotch-tejpmetoden, där en tejpbit används för att dra bort grafenflingor från en bit grafit, som i huvudsak är en bunt med grafenark. Detta resulterar i mikrometerstora grafenfragment, som placeras mellan elektroder för att göra en transistor. Men om du pratar om storskaliga enheter, vill du göra makroskopiska [ark], säger Hannes Schniepp , en grafenforskare vid Princeton University. För det måste du styra monteringen av mindre grafenbitar över ett stort område, säger Schniepp, vilket är precis vad Rutgers-forskarna gör.

Forskarna börjar med att göra en suspension av grafenoxidflingor. De oxiderar grafitflingor med svavelsyra eller salpetersyra. Detta infogar syreatomer mellan individuella grafenark och tvingar isär dem, vilket resulterar i grafenoxidark, som suspenderas i vatten.

Suspensionen filtreras genom ett membran som har 25 nanometer breda porer. Vatten passerar genom porerna, men grafenoxidflingorna, som var och en är några mikrometer breda och cirka en nanometer tjocka, täcker porerna. Detta sker på ett reglerat sätt, säger Chhowalla. När en flinga täcker en por, leds vatten till dess otäckta grannar, som i sin tur blir täckta, tills flingor fördelas över hela ytan. Metoden låter dig deponera enstaka lager av grafen, säger Chhowalla. [Det] resulterar i en nästan enhetlig film avsatt på membranet. Forskarna placerar den filmbelagda sidan av membranet på ett substrat, som glas eller plast, och tvättar bort membranet med aceton. Slutligen exponerar de filmen för en kemikalie som kallas hydrazin, som omvandlar grafenoxiden till grafen.

James Tour , en kemiprofessor vid Rice University, säger att detta verkligen är den enklaste metoden jag har sett för att göra [tunna grafenfilmer] över stora ytor. Han tror att processen lätt skulle kunna omvandlas till en större, kommersiell tillverkningsteknik. Det är mycket mottagligt för snabb produktion, säger han. Det kommer inte att krävas mycket för att få dessa saker producerade ... och täcka stora områden.

Chhowalla och hans kollegor kontrollerar filmens tjocklek genom att ändra suspensionens volym. En volym på 20 milliliter resulterar i en film som är mestadels en till två nanometer tjock, medan en 80 milliliters suspension resulterar i filmer som huvudsakligen är tre till fem nanometer tjocka. De tunnare filmerna är 95 procent transparenta. Forskarna har använt filmerna som de genomskinliga elektroderna i organiska solceller. De har också gjort transistorer genom att placera sina filmer på ett kiselsubstrat och deponera guldelektroder på dem.

Grafenfilmerna behöver mycket mer arbete. Just nu bär transistorerna inte lika mycket ström som de som är gjorda av individuella grafenflingor, vilket forskarna spekulerar är på grund av överlappande flingor i deras filmer. För högkvalitativa transistorer måste de göra enskiktsgrafenfilmer utan överlappning. De måste också förbättra ledningsförmågan hos sin film: indiumtennoxid är fortfarande hundratals gånger mer ledande. Organiska solceller med indiumtennoxidelektroder är mellan 3 procent och 5 procent effektiva. Med tunnfilmselektroder av grafen får vi 0,1 procent, säger Chhowalla, men dessa är proof-of-concept-enheter och kommer naturligtvis att förbättras med tiden.

Tour menar att filmen har mer lovande för organiska solceller än för transistorer. Många forskare studerar också kolnanorörsfilmer som ett sätt att ersätta indiumtennoxidbeläggningar på solceller. Men Tour säger att grafen möjligen skulle vara lättare än att använda kolnanorör på grund av den större tillgängligheten av materialet. Industrin kan också ha lättare att ta till sig grafen på grund av den oro som vissa människor har om effekterna av kolnanorör på miljön.

Dölj