Mobiele telefoons die buigen, zelfaangedreven nano-apparaten, nieuwe en verbeterde zonneceltechnologie en ramen die elektriciteit opwekken zijn slechts enkele van de potentiële producten van de combinatie van halfgeleiders en grafeen.

Halfgeleiders gekweekt op grafeen aan de Norwegian University of Science and Technology (NTNU) zijn misschien wel de belangrijkste onderzoeksdoorbraak van 2012 in Noorwegen. Centraal in de onderzoeksinspanningen staan ​​professor Helge Weman, Professor Bjørn-Ove Fimland en postdoctoraal fellow Dong Chul Kim. Het team werkt nu aan het vertalen van de resultaten van hun basisonderzoek naar een eerste prototype.

Slechts één atoom dik

In de jaren 1960, onderzoekers stelden zich voor dat grafiet (pure koolstof) in lagen van slechts één atoom dik zou kunnen worden gesneden - resulterend in het materiaal dat bekend staat als grafeen.

In de jaren 1990, onderzoekers slaagden erin een laag te creëren zo dun als 100 atomen, maar daarna was er geen vooruitgang tot 2004, toen de in Rusland geboren Andre Geim een ​​tapedispenser pakte van zijn bureau aan de Universiteit van Manchester, drukte een stukje tape over een dunne laag grafiet en pelde het weg. Toen hij de band onder een microscoop bekeek, hij ontdekte een laag van slechts één koolstofatoom dik. Grafeen was geboren!

In 2010, Dr. Geim en zijn collega, Konstantin Novoselov, kregen gezamenlijk de Nobelprijs voor de natuurkunde voor hun werk bij het aantonen van de unieke eigenschappen van grafeen.

Een voorsprong op het peloton bij NTNU

Zes maanden voordat Dr. Geim en Dr. Novoselov in Stockholm aankwamen om hun prijs in ontvangst te nemen, en voordat grafeen een interessant item was geworden, De Zuid-Koreaanse postdoctorale fellow Dong Chul Kim van NTNU had de professoren Helge Weman en Bjørn-Ove Fimland van de afdeling Elektronica en Telecommunicatie voorgesteld om juist dit materiaal nader te bekijken. De suggestie kwam kort nadat een onderzoeksgroep van hun afdeling erin was geslaagd halfgeleider nanodraden van galliumarsenide (GaAs) te kweken op siliciumsubstraten. Dit bracht dr. Weman ertoe zich af te vragen of het mogelijk zou zijn om in plaats daarvan halfgeleider-nanodraden rechtstreeks op grafeen te laten groeien.

De collectieve expertise van prof.dr. Weman, Professor Fimland en dr. Kim bleken een vruchtbare combinatie te zijn. De onderzoekers bereikten al snel hun eerste doorbraak, in september 2010, en in de zomer van 2012 slaagden ze erin om nanodraad-halfgeleiders op een één atoomdikke ondergrond te plaatsen. Deze actieve halfgeleiders worden normaal gesproken één micron (een miljoenste van een meter) dik.

Zal silicium verouderd raken?

Grafeen is op dit moment absoluut het hotste onderwerp onder onderzoekers van nanomaterialen. Het pure koolstofmateriaal is verreweg het dunste en sterkste dat er bestaat. Het is 200 keer sterker dan staal, geleidt elektriciteit 100 keer sneller dan silicium en is superieur aan elk ander materiaal in het geleiden van warmte. Het is ondoordringbaar, maar tegelijkertijd buigzaam en transparant. En goedkope grootschalige productie van grafeen wordt nu realiteit.

Momenteel, elektronica en zonnecellen worden bovenop dikke siliciumsubstraten geplaatst. Maar silicium heeft duidelijke beperkingen, inclusief maat. Grote technologiebedrijven hebben moeite om op silicium gebaseerde producten te produceren die kleiner zijn dan de producten die momenteel op de markt zijn. Een andere uitdaging bij het gebruik van silicium is dat op silicium gebaseerde elektronica veel warmte genereert. Veel mensen beschouwen grafeen als de belangrijkste kandidaat om silicium te vervangen.

Grote multinationals zoals IBM en Samsung hebben veel energie gestoken in onderzoek naar zowel halfgeleiders als grafeen. Maar de echte doorbraak in het kweken van halfgeleiders op grafeen vond eigenlijk plaats bij NTNU in Trondheim.

De bevindingen van deze onderzoekers in Trondheim kunnen worden gebruikt om elektronica en zonnecellen te maken die honderden keren dunner zijn dan de huidige modellen. Dit maakt het mogelijk om elektronica te produceren die zowel buigzaam als transparant is, bovendien goedkoper en energiezuiniger.

Efficiëntere zonnecellen en LED's

Het zal waarschijnlijk niet lang meer duren voordat eenvoudige grafeenproducten op de markt verschijnen. Sommige daarvan zullen gebaseerd zijn op halfgeleidertechnologie.

Halfgeleiders zijn een hoofdcomponent in bijna alle moderne elektronica. Zonder hen, het zou niet mogelijk zijn om computers te hebben, smartphones, zonnepanelen, LED-lampen of apparaten die lasers gebruiken, d.w.z. alles van printers tot glasvezelcommunicatie. Al deze items kunnen kleiner en beter worden gemaakt met grafeen. Grafeen kan zowel het halfgeleidersubstraat verdringen als dienen als transparante elektrode voor een buigzame nanodraadzonnecel.

"Zonnecel- en LED-technologie zullen de eerste gebieden zijn om nieuwe producten te zien die gebruik maken van op grafeen gebaseerde halfgeleiders, "Dokter Weman gelooft.

Te laag geprijsde energie uit fossiele brandstoffen is de belangrijkste oorzaak van de opwarming van de aarde. Zonlicht is een alternatieve bron met een enorm potentieel, maar zonne-energie zal goedkoper en efficiënter moeten worden. Halfgeleider-nanodraden op basis van grafeen kunnen eindelijk de doorslag geven in het voordeel van zonne-energie.

"Als halfgeleider nanodraden gekweekt op grafeen worden gebruikt in zonnecellen, dezelfde hoeveelheid zonlicht kan worden omgezet in energie met een tiende van het volume aan materialen dat wordt gebruikt in dunnefilmzonnecellen. En dat betekent dat we hebben bezuinigd op nog meer materiaal door de halfgeleiders op grafeen te laten groeien in plaats van op een dik halfgeleidersubstraat. Nieuw onderzoek toont ook aan dat grafeen extra unieke eigenschappen heeft die de efficiëntie van een zonnecel verbeteren, "Dokter Weman legt uit.

LED-lampen zijn superieur in termen van energie-efficiëntie, maar waren duurder om te produceren vanwege dure halfgeleidersubstraten. Halfgeleider nanodraden op grafeen zullen het mogelijk maken om de wereld te voorzien van led-lampen die veel goedkoper en veel efficiënter zijn, maar ook buigzamer en minder wegen dan de huidige lampen.

Industrialisatie in het verschiet

Het werk aan grafeen bij NTNU heeft de aandacht getrokken van veel internationale bedrijven die geïnteresseerd zijn in samenwerking met de in Trondheim gevestigde onderzoekers en hun bedrijf, CrayoNano. Maar de potentiële industriële vragen zijn tot nu toe uitsluitend uit Azië en de VS gekomen. Acteurs in Noorwegen en Europa hebben nog geen interesse getoond.

"We zijn pioniers omdat we grafeen voor iets anders dan fundamenteel onderzoek gebruiken. Mogelijk hebben we ons eerste prototype eind 2013 al klaar. maar we willen nog niet verklappen wat het is, ' zegt dokter Weman.

"Het veld waarmee we werken - grafeen gebruiken als vervanging voor silicium en andere halfgeleidersubstraten in elektronica en zonnecellen - biedt veel nieuwe kansen. Maar het potentieel is net zo groot voor toepassingen met grafeen in andere gebieden dan elektronica, zoals in de medische sector. Grafeen kan in het lichaam worden gebruikt zonder schade aan te richten, "Dokter Weman legt uit.

"In een wereld waar drinkwater schaars is, het gebruik van met zuurstof gemodificeerde grafeenfilters om water te zuiveren is nog een andere opwindende toepassing. Het is een geheel nieuwe manier om zeewater in zoet water te veranderen."

In elk geval, onderzoeks- en ontwikkelingsactiviteiten zullen nog vele jaren nodig zijn. Dr. Weman vergelijkt de huidige stand van het grafeenonderzoek met dat van silicium in de vroege jaren zestig.