grafeen, een vorm van pure koolstof gerangschikt in een rooster van slechts één atoom dik, heeft talloze onderzoekers geïnteresseerd met zijn unieke kracht en zijn elektrische en thermische geleidbaarheid. Maar een belangrijke eigenschap die het mist -- waardoor het geschikt zou zijn voor een overvloed aan nieuwe toepassingen -- is de mogelijkheid om een ​​band gap te vormen, nodig voor apparaten zoals transistors, computerchips en zonnecellen.

Nutsvoorzieningen, een team van MIT-wetenschappers heeft een manier gevonden om grafeen in significante hoeveelheden te produceren in een twee- of drielaagse vorm. Als de lagen precies goed zijn gerangschikt, deze structuren geven grafeen de felbegeerde band gap - een energiebereik dat tussen de banden valt, of energieniveaus, waar elektronen in een bepaald materiaal kunnen voorkomen.

“Het is een doorbraak in grafeentechnologie, " zegt Michael Strano, de Charles en Hilda Roddey Associate Professor of Chemical Engineering aan het MIT. Het nieuwe werk wordt beschreven in een artikel dat deze week in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur Nanotechnologie , co-auteur van afgestudeerde student Chih-Jen Shih, Hoogleraar Chemische Technologie Daniel Blankschtein, Strano en 10 andere studenten en postdocs.

Het bestaan ​​van grafeen werd voor het eerst bewezen in 2004 (een prestatie die leidde tot de Nobelprijs voor natuurkunde in 2010), maar het was een uitdaging om het in hoeveelheden te maken die groot genoeg zijn voor alles behalve kleinschalig laboratoriumonderzoek. De standaardmethode blijft het gebruik van plakband om minuscule vlokken grafeen op te rapen van een blok sterk gezuiverd grafiet (het materiaal van potloodstift) - een techniek die zich niet leent voor productie op commerciële schaal.

De nieuwe methode, echter, kan worden uitgevoerd op een schaal die de mogelijkheid biedt van echte, praktische toepassingen, Strano zegt, en maakt het mogelijk om de precieze rangschikking van de lagen te produceren - A-B gestapeld genoemd, met de atomen in de ene laag gecentreerd over de ruimten tussen de atomen in de volgende - dat levert gewenste elektronische eigenschappen op.

"Als je een heleboel dubbellagen wilt die A-B gestapeld zijn, dit is de enige manier om het te doen, ' zegt hij.

De truc maakt gebruik van een techniek die oorspronkelijk in de jaren vijftig en zestig werd ontwikkeld door professor Mildred Dresselhaus van het MIT Institute, onder andere:Verbindingen van broom of chloor die in een blok grafiet worden gebracht, vinden van nature hun weg naar de structuur van het materiaal, zichzelf regelmatig tussen elke andere laag invoegen, of in sommige gevallen elke derde laag, en daarbij de lagen iets verder uit elkaar duwen. Strano en zijn team ontdekten dat wanneer het grafiet wordt opgelost, het valt natuurlijk uit elkaar waar de toegevoegde atomen liggen, het vormen van grafeenvlokken van twee of drie lagen dik.

“Omdat dit verspreidingsproces heel zacht kan zijn, we eindigen met veel grotere vlokken” dan wie dan ook heeft gemaakt met behulp van andere methoden, zegt Strano. “Grafeen is een zeer kwetsbaar materiaal, dus het vereist een zachte verwerking.”

Dergelijke formaties zijn "een van de meest veelbelovende kandidaten voor post-silicium nano-elektronica, ', zeggen de auteurs in hun paper. De vlokken die met deze methode worden geproduceerd, zo groot als 50 vierkante micrometer in oppervlakte, groot genoeg zijn om bruikbaar te zijn voor elektronische toepassingen, ze zeggen. Om het punt te bewijzen, ze waren in staat om enkele eenvoudige transistors op het materiaal te vervaardigen.

Het materiaal kan nu worden gebruikt om de ontwikkeling van nieuwe soorten elektronische en opto-elektronische apparaten te onderzoeken, zegt Strano. En in tegenstelling tot de "Scotch tape"-benadering voor het maken van grafeen, “onze aanpak is industrieel relevant, ', zegt Strano.

James-tour, hoogleraar scheikunde en werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de Rice University, die niet bij dit onderzoek betrokken was, zegt dat het om 'briljante experimenten' ging die overtuigende statistieken opleverden. Hij voegde eraan toe dat verder werk nodig zou zijn om de opbrengst van bruikbaar grafeenmateriaal in hun oplossingen te verbeteren, nu ongeveer 35 tot 40 procent, tot meer dan 90 procent. Maar als dat eenmaal is bereikt, hij zegt, "Deze methode in de oplossingsfase zou de kosten van deze unieke materialen drastisch kunnen verlagen en de commercialisering ervan in toepassingen zoals optische elektronica en geleidende composieten versnellen."

While it’s hard to predict how long it will take to develop this method to the point of commercial applications, Strano says, “it’s coming about at a breakneck pace.” A similar solvent-based method for making single-layer graphene is already being used to manufacture some flat-screen television sets, and “this is definitely a big step” toward making bilayer or trilayer devices, hij zegt.

The work was supported by grants from the U.S. Office of Naval Research through a multi-university initiative that includes Harvard University and Boston University along with MIT, as well as from the Dupont/MIT Alliance, a David H. Koch fellowship, and the Army Research Office through the Institute for Soldier Nanotechnologies at MIT.