Flexibel, transparante elektronica komt dichter bij de realiteit met de creatie van op grafeen gebaseerde elektroden aan de Rice University.

Het lab van Rice-chemicus James Tour Lab heeft dunne films gemaakt die een revolutie teweeg kunnen brengen in touchscreen-displays, zonnepanelen en ledverlichting. Het onderzoek werd gerapporteerd in de online editie van ACS Nano .

Flexibel, doorzichtige videoschermen kunnen de "killer-app" zijn die grafeen - de veelgeprezen single-atom-dikke vorm van koolstof - eindelijk voor eens en voor altijd in de commerciële schijnwerpers plaatst, zei toer. In combinatie met andere flexibele, transparante elektronische componenten die bij Rice en elders worden ontwikkeld, de doorbraak zou kunnen leiden tot computers die zich om de pols wikkelen en zonnecellen die zich om zowat alles wikkelen.

De hybride grafeenfilm van het laboratorium is een sterke kandidaat om indiumtinoxide (ITO) te vervangen. een commercieel product dat veel wordt gebruikt als een transparant, geleidende coating. Het is het essentiële element in vrijwel alle platte beeldschermen, inclusief touchscreens op smartphones en iPads, en maakt deel uit van organische lichtemitterende diodes (OLED's) en zonnecellen.

ITO werkt goed in al deze toepassingen, maar heeft een aantal nadelen. Het element indium wordt steeds zeldzamer en duurder. Het is ook broos, wat het risico vergroot dat een scherm barst wanneer een smartphone valt en ITO verder uitsluit als basis voor flexibele beeldschermen.

De dunne film van het Tour Lab combineert een enkellaags vel zeer geleidend grafeen met een fijn raster van metalen nanodraad. De onderzoekers beweren dat het materiaal gemakkelijk beter presteert dan ITO en andere concurrerende materialen, met betere transparantie en lagere weerstand tegen elektrische stroom.

"Veel mensen werken aan ITO-vervangingen, vooral als het gaat om flexibele substraten, " zei Toer, Rice's TT en W.F. Chao-leerstoel in de chemie en hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en informatica. "Andere laboratoria hebben gekeken naar het gebruik van puur grafeen. Het zou theoretisch kunnen werken, maar als je het op een ondergrond zet, het heeft niet voldoende geleidbaarheid bij een voldoende hoge transparantie. Het moet op de een of andere manier geholpen worden."

Omgekeerd, zei postdoctoraal onderzoeker Yu Zhu, hoofdauteur van het nieuwe artikel, fijne metalen mazen vertonen een goede geleidbaarheid, maar gaten in de nanodraden om ze transparant te houden, maken ze ongeschikt als op zichzelf staande componenten in geleidende elektroden.

Maar het combineren van de materialen werkt uitstekend, zei Zhu. Het metalen rooster versterkt het grafeen, en het grafeen vult alle lege ruimtes tussen het raster. De onderzoekers vonden een raster van vijf micron nanodraden gemaakt van goedkope, lichtgewicht aluminium deed geen afbreuk aan de transparantie van het materiaal.

"Vijf micron rasterlijnen zijn ongeveer een tiende van de grootte van een mensenhaar, en een mensenhaar is moeilijk te zien, ' zei Tour.

Tour zei dat metalen roosters gemakkelijk kunnen worden geproduceerd op een flexibel substraat via standaardtechnieken, inclusief roll-to-roll en inkjet printen. Technieken om grote vellen grafeen te maken verbeteren ook snel, hij zei; commerciële laboratoria hebben al een roll-to-roll grafeenproductietechniek ontwikkeld.

"Dit materiaal is nu klaar om op te schalen, " hij zei.

De flexibiliteit is bijna een bonus, Zhu zei, vanwege de potentiële besparingen van het gebruik van koolstof en aluminium in plaats van dure ITO. "Direct, ITO is de enige commerciële elektrode die we hebben, maar het is broos, " zei hij. "Onze transparante elektrode heeft een betere geleidbaarheid dan ITO en is flexibel. Ik denk dat flexibele elektronica daar veel aan zal hebben."

Bij testen, hij ontdekte dat de geleidbaarheid van de hybride film met 20 tot 30 procent afneemt bij de eerste 50 bochten, maar daarna, het materiaal stabiliseert. "Er waren geen significante variaties tot 500 buigcycli, "Zei Zhu. Een strengere buigtest zal worden overgelaten aan commerciële gebruikers, hij zei.

"Ik weet niet hoe vaak iemand een computer zou oprollen, Tour toegevoegd. "Misschien 1 000 keer? Tienduizend keer? Het is moeilijk voor te stellen hoe het zou verslijten tijdens de levensduur die je normaal gesproken een apparaat zou houden."

De film bleek ook milieustabiel. Toen de onderzoekspaper eind 2010 werd ingediend, testfilms waren zes maanden blootgesteld aan de omgeving in het laboratorium zonder aantasting. Na een jaar, dat blijven ze.

"Nu we weten dat het prima werkt op flexibele ondergronden, dit brengt de werkzaamheid van grafeen een stap verder naar zijn potentiële bruikbaarheid, ' zei Tour.