(PhysOrg.com) -- Onderzoekers hebben pionierswerk verricht met een methode die de temperatuur waarbij hoogwaardig grafeen kan worden geproduceerd meer dan halveert.

De techniek opent nieuwe mogelijkheden voor het gebruik van grafeen, die algemeen wordt beschouwd als een potentiële "wonderstof" voor de 21e eeuw.

De onderzoekers van de afdeling Engineering van de Universiteit van Cambridge voegden een zeer kleine hoeveelheid goud toe aan het oppervlak van een nikkelfilm, waarop het grafeen vervolgens is gegroeid. De resulterende legering betekende dat ze grafeen konden laten groeien bij 450ºC in tegenstelling tot de 1, 000ºC die normaal vereist is.

Het team, die werd geleid door Robert Weatherup en Bernhard Bayer in de Hofmann-onderzoeksgroep van het departement, was ook in staat om meer te weten te komen over hoe grafeen zich tijdens dit proces vormt.

"Pas toen we een gedetailleerd beeld hadden van hoe het grafeen groeide, konden we die groei afstemmen en de katalysator - het nikkel - rationeel manipuleren om het te verbeteren, ', zei Weatherup. “Dit begrijpen is interessant vanuit wetenschappelijk oogpunt, maar het gebruik van deze kennis om het groeiproces te verbeteren, is het echt nuttige resultaat van ons werk geweest.”

Grafeen is een microscopisch dunne substantie die in wezen in slechts twee dimensies bestaat. Het bestaat uit een enkele, atoomdikke laag koolstofatomen, gerangschikt in een zeshoekig rooster.

Wat het voor wetenschappers opwindend maakt, is het opmerkelijke scala aan eigenschappen. Grafeen is erg sterk, transparant en zeer geleidend. Dit betekent dat het voor een hele reeks toepassingen kan worden gebruikt, inclusief flexibele elektronica die door de gebruiker kan worden gedragen, snelle breedband, high-performance computing en lichtgewicht componenten voor vliegtuigen en andere machines.

Om een ​​van deze mogelijkheden te realiseren, er is een betrouwbare methode nodig om grafeen van hoge kwaliteit te produceren. De beste optie tot nu toe zijn wetenschappers die chemische dampafzetting gebruiken. In dit proces, een katalysatorfilm – in sommige gevallen nikkel, in andere gevallen wordt koper blootgesteld aan een koolstofhoudend gas bij zeer hoge temperaturen. Grafeen assembleert zich vervolgens op het oppervlak van de film.

Tot nu, temperaturen van ongeveer 1, 000ºC was nodig om het grafeen te vormen. Dit vormt een probleem, omdat de hoge groeitemperaturen veel van de materialen die worden gebruikt in de gangbare productie-elektronica ernstig zouden beschadigen, wat betekent dat het grafeen niet direct kan worden geïntegreerd in de circuits die dan in elektronische producten zouden worden gebruikt.

Weatherup en Bayer's gebruik van nikkelfilms met een kleine hoeveelheid goud (minder dan 1%) opent deze mogelijkheid door de groeitemperatuur te verlagen tot 450º. De legering vermindert ook het aantal plaatsen waar grafeen op de film groeit, omdat het goud de groei van grafeen blokkeert.

Dit betekent dat wanneer elke grafeenvlok tevoorschijn komt, deze groter en langer wordt voordat deze samenkomt met een andere vlok. Omdat elektronen die door het grafeen reizen daarom niet zo vaak worden gestoord door verbindingen tussen vlokken, de geleidbaarheid van het grafeen wordt verbeterd. Het resultaat is grafeen dat kan worden geproduceerd bij een drastisch verlaagde temperatuur, maar is nog steeds van de zeer hoge kwaliteit die nodig zou zijn voor toekomstige toepassingen.

Tijdens het proces werden ook gespecialiseerde technieken gebruikt om de atoomdikke laag grafeen te 'voelen' terwijl deze groeide. De onderzoekers konden definitief aantonen dat grafeengroei niet alleen optreedt als de stof afkoelt (zoals sommige wetenschappers eerder dachten), en dat de groei niet alleen wordt beïnvloed door het oppervlak van de katalysatorfilm, maar door een deel van de film eronder.

Onderzoekers voorspellen algemeen dat het slechts een kwestie van tijd is voordat grafeen van het domein van wetenschappelijk onderzoek naar de industrie gaat. Voor nu, echter, commerciële ontwikkeling is nog ver weg.

“Het liefst zouden we grafeen direct op een isolerend substraat willen produceren, aangezien op dit moment de legering na groei moet worden verwijderd om grafeen in toepassingen te kunnen gebruiken, ', zei Weatherup. “Het probleem is dat isolatoren doorgaans minder goed zijn in het omzetten van koolstofhoudende gassen in hoogwaardig grafeen.”

“Grafeengroei is nog een heel jong veld, maar het gaat ongelooflijk snel. Met behulp van legering van de katalysator, zoals we hier hebben, is een geheel nieuwe benadering voor het verbeteren van het proces en we verwachten dat verder onderzoek hiervan waarschijnlijk zal leiden tot een verbeterde grafeenproductie, en misschien zelfs bij lagere temperaturen.”

De bevindingen worden gerapporteerd in het nieuwe nummer van het wetenschappelijke tijdschrift, Nano-letters .