Onderzoekers van de Northwestern University hebben een nieuwe methode ontwikkeld om grafeen chemisch te veranderen, een ontwikkeling die een stap zou kunnen zijn in de richting van snellere, dunner, flexibele elektronica.

Zeer gewild vanwege zijn vele veelbelovende eigenschappen, grafeen is een atoom dik, honingraatvormig rooster van koolstofatomen met uitzonderlijke sterkte en geleidbaarheid. Een van de vele mogelijke toepassingen van grafeen is elektronica:veel experts denken dat het kan wedijveren met silicium, het transformeren van geïntegreerde schakelingen en leiden tot ultrasnelle computers, mobiele telefoons en aanverwante draagbare elektronische apparaten.

Maar eerst, onderzoekers moeten leren hoe ze de elektronische eigenschappen van grafeen kunnen afstemmen - niet eenvoudig, gegeven een grote uitdaging intrinsiek aan het materiaal. In tegenstelling tot halfgeleiders zoals silicium, puur grafeen is een materiaal zonder bandgap, waardoor het moeilijk is om de stroom erdoor elektrisch "uit te schakelen". Daarom, ongerept grafeen is niet geschikt voor de digitale schakelingen die de overgrote meerderheid van geïntegreerde schakelingen bevatten.

Om dit probleem op te lossen en grafeen functioneler te maken, onderzoekers over de hele wereld onderzoeken methoden om het materiaal chemisch te veranderen. De meest voorkomende strategie is de "Hummers-methode, " een proces ontwikkeld in de jaren 1940 dat grafeen oxideert, maar die methode is gebaseerd op agressieve zuren die het weefsel van het grafeenrooster onomkeerbaar beschadigen.

Onderzoekers van de McCormick School of Engineering and Applied Science van Northwestern hebben onlangs een nieuwe methode ontwikkeld om grafeen te oxideren zonder de bijkomende schade die de Hummers-methode tegenkomt. Hun oxidatieproces is ook omkeerbaar, wat verdere afstemming mogelijk maakt over de resulterende eigenschappen van hun chemisch gemodificeerde grafeen.

De krant, "Chemisch homogene en thermisch omkeerbare oxidatie van epitaxiaal grafeen, " wordt op 19 februari in het tijdschrift gepubliceerd Natuurchemie .

"Het uitvoeren van chemische reacties op grafeen is erg moeilijk, " zei Mark C. Hersam, hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de McCormick School. "Typisch, onderzoekers gebruiken agressieve zure omstandigheden, zoals die worden gebruikt in de Hummers-methode, die het rooster beschadigen en resulteren in een moeilijk te controleren materiaal.

"In onze methode echter, het resulterende grafeenoxide is chemisch homogeen en omkeerbaar - wat leidt tot goed gecontroleerde eigenschappen die waarschijnlijk kunnen worden benut in hoogwaardige toepassingen, " zei Hersam, die ook hoogleraar scheikunde en geneeskunde is.

Om het grafeenoxide te maken, onderzoekers lekten zuurstofgas (O2) in een ultrahoge vacuümkamer. Binnenkant, een hete wolfraamgloeidraad werd verhit tot 1500 graden Celsius, waardoor de zuurstofmoleculen dissociëren in atomaire zuurstof. De zeer reactieve zuurstofatomen worden vervolgens uniform in het grafeenrooster ingebracht.

Het resulterende materiaal bezit een hoge mate van chemische homogeniteit. Spectroscopische metingen tonen aan dat de elektronische eigenschappen van het grafeen variëren als een functie van de zuurstofdekking, wat suggereert dat deze benadering de eigenschappen van op grafeen gebaseerde apparaten kan afstemmen. "Het is onduidelijk of dit werk van de ene op de andere dag van invloed zal zijn op toepassingen in de echte wereld, "Zei Hersam. "Maar het lijkt een stap in de goede richting te zijn."

Volgende, onderzoekers zullen andere manieren onderzoeken om grafeen chemisch te modificeren om een ​​grotere verscheidenheid aan materialen te ontwikkelen, net zoals wetenschappers dat deden voor kunststoffen in de vorige eeuw.

"Misschien is zuurstof niet genoeg, "Zei Hersam. "Door chemische modificatie, de wetenschappelijke gemeenschap heeft een breed scala aan polymeren ontwikkeld, van harde kunststoffen tot nylon. We hopen dezelfde mate van afstembaarheid voor grafeen te realiseren."