Elektronische componenten maken met grafeen, een materiaal dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen, is een van de grote technologische uitdagingen van vandaag. Onderzoekers hopen de uitstekende elektronenmobiliteit van grafeen te benutten en het materiaal ook te gebruiken om goedkope, flexibele elektronica. Onderzoeksteams van CEA, CNRS, Université de Lille 1 en Northwestern University hebben een nieuw proces bedacht voor het vervaardigen van transistors die flexibiliteit en elektronenmobiliteit combineren en in staat zijn om op zeer hoge frequenties in het GHz-bereik te werken. Het proces maakt gebruik van een vorm van grafeen in oplossing die compatibel is met druktechnieken. Dergelijke elektronische componenten zouden moeten leiden tot de ontwikkeling van hoogwaardige elektronische schakelingen die in alledaagse voorwerpen worden ingebouwd.

De resultaten verschenen in het tijdschrift Nano-letters op 14 maart, 2012.

grafeen, een materiaal dat bestaat uit een enkele laag hexagonale koolstofatomen, heeft een aantal uitstekende eigenschappen. Vooral, de hoge elektronenmobiliteit zal naar verwachting elektronische componenten helpen bij zeer hoge frequenties. De mechanische eigenschappen maken het ook flexibel. Deze twee eigenschappen - elektronenmobiliteit en flexibiliteit - zouden nuttig kunnen worden gebruikt om elektronische componenten en circuits voor verschillende toepassingen te maken, zoals het ontwikkelen van flexibele schermen en zeer krachtige transistors en elektronische componenten tegen lage kosten.

Er zijn momenteel verschillende methoden voor grafeensynthese beschikbaar. Een daarvan is de productie van grafeen als een oplossing van kleine deeltjes, een diameter van een paar honderd nanometer, die door oppervlakteactieve stoffen in water worden gestabiliseerd. De synthesemethode die wordt gebruikt om de resulterende "geleidende inkt" te verkrijgen, maakt het mogelijk om alleen enkellaagse vellen te selecteren die opmerkelijke elektronische eigenschappen vertonen (in plaats van een combinatie van enkellaags en meerlaags grafeen). Een ander specifiek kenmerk is dat componenten op een zeer breed scala aan media kunnen worden geproduceerd, inclusief glas, papier of organische substraten.

De onderzoeksteams van CEA, CNRS, Université de Lille 1 en Northwestern University ontwikkelden het allereerste proces voor het maken van flexibele transistors van oplosbaar gemaakt grafeen op polyimide (een thermostabiel polymeer) substraten. Vervolgens hebben ze een diepgaande studie gemaakt van de hoogfrequente prestaties van deze transistors.

In het door de onderzoekers ontwikkelde proces, vellen grafeen in oplossing worden op het substraat afgezet met een wisselend elektrisch veld aangelegd tussen vooraf gemaakte elektroden. Deze techniek, bekend als diëlektroforese of DEP, wordt gebruikt om het grafeenafzettingsproces te begeleiden om op bepaalde plaatsen een hoge dichtheid van afgezette vellen te verkrijgen. Deze dichtheid is essentieel voor het bereiken van uitstekende hoogfrequente prestaties. De ladingsmobiliteit in de transistoren ligt in de buurt van 100 cm2/V.s, een veel hogere waarde dan die verkregen met halfgeleidermoleculen of polymeren. Deze transistors bereiken dus zeer hoge frequenties - rond 8 GHz - een prestatieniveau dat nooit eerder werd bereikt in organische elektronica!

De resultaten laten zien dat "geleidende inkt" grafeen een zeer competitief materiaal is voor het maken van flexibele elektronische toepassingen in een hoogfrequent bereik (GHz) dat volledig buiten bereik is voor conventionele organische halfgeleiders. Deze nieuwe generatie transistoren biedt uitstekende perspectieven voor tal van toepassingen, inclusief flexibele schermen (opvouwbaar of oprolbaar), elektronische apparaten ingebouwd in stoffen of andere alledaagse voorwerpen, zoals RFID-tags, informatie kan verwerken en doorgeven.