Större, stretchigare grafen

Koreanska forskare har hittat ett sätt att göra stora grafenfilmer som är både starka och stretchiga och har de bästa elektriska egenskaperna hittills. Dessa atomtjocka ark av kol är ett lovande material för att göra flexibla, genomskinliga elektroder och transistorer för platta bildskärmar. Grafen kan också leda till vikbara organiska lysdioder (OLED)-skärmar och organiska solceller. Det har dock inte varit lätt att hitta ett sätt att göra stora ark av grafen av hög kvalitet.

Stor och böjig: En genomskinlig grafenfilm, två centimeter på varje sida, sträcker sig och böjs när den överförs till en gummistämpel. Stämpeln kan användas för att avsätta filmen på vilket underlag som helst.

Forskare från Sungkyunkwan University och Samsung Advanced Institute of Technology, i Suwon, Korea, har gjort centimeter breda grafenfilmer som är 80 procent transparenta och kan böjas och sträckas utan att gå sönder eller förlora sina elektriska egenskaper. Andra har gjort stora grafenfilmer med enklare tekniker, men de nya filmerna är 30 gånger mer ledande. Dessutom är det enkelt att överföra de nya filmerna till olika underlag. Vi har visat att grafen är ett av de bästa materialen för töjbar transparent elektronik, säger Byung Hee Hong , som ledde arbetet, som publiceras i Natur .

Grafen är en utmärkt ledare och transporterar elektroner tiotals gånger snabbare än kisel gör. Det skulle kunna ersätta de spröda indiumtennoxidelektroderna (ITO) som för närvarande används i displayer, organiska solceller och pekskärmar. Grafentransistorer kan också ersätta tunnfilmstransistorer av kisel, som inte är genomskinliga och är svåra att tillverka på plast.

Det enklaste sättet att göra små flingor av högkvalitativt grafen är att dra bort grafenlager från grafit (som i princip bara är en bunt grafenark). Förra året, en grupp ledd av Rutgers University materialvetenskap och ingenjör professor Manish Chhowalla utarbetat en metod för att göra bitar i centimeterskala för praktiska tillämpningar. Forskarna löste grafitoxid i vatten, vilket skapade en suspension av individuella grafenoxidark, som de avsatte ovanpå ett flexibelt substrat.

De koreanska forskarna använder en metod som kallas kemisk ångavsättning. Först lägger de ett 300 nanometer tjockt lager av nickel ovanpå ett kiselsubstrat. Därefter värmer de detta substrat till 1 000 Cº i närvaro av metan och kyler sedan snabbt ner det till rumstemperatur. Detta lämnar efter sig grafenfilmer som innehåller sex till tio grafenlager ovanpå nickel. Genom att mönstra nickelskiktet kan forskarna skapa mönstrade grafenfilmer.

Andra, som MIT elektroteknikprofessor Jing Kong , jobbar på liknande tillvägagångssätt att göra stora grafenbitar. Men de koreanska forskarna har tagit arbetet ett steg längre och överfört filmerna till flexibla substrat samtidigt som de håller hög kvalitet. Överföringen sker på ett av två sätt. En är att etsa bort nickel i en lösning så att grafenfilmen flyter på sin yta, redo att avsättas på vilket underlag som helst. Ett enklare knep är att använda en gummistämpel för att överföra filmen.

Columbia University fysikprofessor Philip Kim , som är medförfattare till det nya dokumentet, säger att kemisk ångavsättning är ett av de billigaste sätten att göra kvalitetsgrafen i stor skala och bör vara kompatibel med befintliga halvledartillverkningstekniker. Just nu kan forskarna göra fyra tumsbitar, men Hong säger att de enkelt skulle kunna skala upp processen.

De nya grafenfilmerna är mindre defekta än de som gjorts tidigare, säger Hong, varför de är cirka 30 gånger mer ledande och har cirka 20 gånger högre rörlighet än tidigare grafenark. Konduktiviteten är tillräcklig för vissa nybörjarapplikationer i små LCD-skärmar och pekskärmar, säger För att kontakta Yang , en materialvetenskap och ingenjörsprofessor vid University of California, Los Angeles. Men, tillägger han, skulle konduktiviteten fortfarande behöva vara 10 gånger bättre för att ersätta ITO i organiska solceller och OLED.

Många andra material övervägs för transparent, böjbar elektronik. Kolnanorör kan vara en tuff konkurrent. Till exempel gör forskare framsteg med att skapa flexibla nanorörtransistorer, och Unidym , baserat i Menlo Park, CA, kommer snart att börja sälja nanorörsbelagda plastfilmer, som kan användas istället för ITO-beläggningar på skärmar.

Andra har gjort flexibla, genomskinliga transistorer med indiumoxidbeläggningar eller zinkoxid- och indiumoxidnantrådar. Samtidigt har forskare från University of Michigan gjort genomskinliga elektroder med hjälp av ett rutnät av mycket tunna metalltrådar.

Grafens fördel kan vara dess exceptionella styrka och höga rörlighet (som förutspås vara dubbelt så stor som för nanorör). Tao He, en grafenforskare vid Rice University, säger att de nya filmernas ledningsförmåga och mobilitetsvärden är imponerande. Jag såg inget [annat arbete] liknande eller jämförbart med det här, säger han och tillägger att det nya arbetet kan göra storskalig, lågkostnadstillverkning av flexibel grafenelektronik möjlig.

Dölj