(Phys.org) —De wonderkind materiaal grafeen is een één atoom dikke laag grafiet (een andere kristallijne vorm van koolstof) waarin koolstofatomen in een regelmatig hexagonaal patroon zijn gerangschikt. Heel sterk zijn, licht, bijna transparant, en een uitstekende geleider van warmte en elektriciteit, vindt in een duizelingwekkend tempo nieuwe toepassingen. Dit is niet verwonderlijk, aangezien zijn talloze kenmerken zijn elektronische, optisch, excitonisch, thermisch, spin transport, abnormaal kwantum Hall-effect, mechanisch, en andere unieke eigenschappen. Hoewel een van de aantrekkelijke mechanische eigenschappen van grafeen de flexibiliteit is, het meeste onderzoek naar die eigenschappen is uitgevoerd op stijve substraten zoals siliciumdioxide of kwarts. Een stijf substraat is geschikt voor transistors of foto-elektrische apparaten, maar het toepassen van grafeen op flexibele substraten heeft tal van toepassingen, zoals organische elektronica (gebruikt in zonnecellen, lichtgevende dioden, touchscreen-technologie, fotodetectoren, en moleculaire scheidingsmembranen), fotonica, en opto-elektronica. Momenteel, er is weinig gerapporteerde activiteit bij het overbrengen van grafeen op flexibele substraten, en deze gebruiken meestal polymethylmethacrylaat (PMMA) als tussenmembraan - het nadeel is dat het membraan na de overdracht moet worden verwijderd. Onlangs, echter, wetenschappers van het MIT, University of Alabama en Universidade Federal de Minas Gerais bedachten een eenvoudig, PMMA-vrij, directe laminatietechniek voor het overbrengen van grafeen op verschillende flexibele substraten. Hoewel hun directe overdrachtsmethode niet werkt op hydrofiele substraten zoals papier of doek, de nieuwe techniek kan ook succesvol werken in deze werken door PMMA te gebruiken als oppervlaktemodificator of kleefstof - een mogelijkheid die volgens hen kansen zal creëren voor alomtegenwoordige of draagbare elektronica.

Prof. Paulo T. Araujo en Prof. Jing Kong bespraken het onderzoek dat hun studenten, Luiz Gustavo Pimenta en Yi Song, en collega's uitgevoerd in een interview met Phys.org. "Het concept achter de lamineertechniek is eenvoudig en zoals men kan zien in de referenties van onze krant, we waren niet de eersten die het toepasten, " vertelt Araujo aan Phys.org. "Echter, wij waren de eersten die het op een zeer schone manier toepassen - dat wil zeggen, zonder hulp van tussenmembranen zoals PMMA, of lijmen zoals thermische tapes." De belangrijkste uitdagingen die ze tegenkwamen, hij merkt op, waren het optimaliseren van parameters zoals de temperatuur van de lamineermachine, en het vervaardigen van de juiste gelaagde samenstelling van de doelsubstraten, grafeen, koperfolie, en beschermende pellicels. "Aanvullend, "Araujo voegt eraan toe, "we moesten de verschillen en overeenkomsten tussen de substraten die we gebruikten begrijpen. een zeer poreus substraat vereist een andere overdrachtsstrategie die zeer glad is."

Araujo merkt op dat de nieuwe overdrachtsmethode specifiek contrasteert met eerdere methoden in termen van snelheid en eenvoud. "Kortom, de meest gebruikte transfermethode bestaat uit het spincoaten van PMMA over een kuiperfolie met daarop gegroeid grafeen. Daarna, de cooper/grafeen/PMMA-set wordt 30 minuten in een cooper-etsmiddel gelaten, die de kuiper elimineert, waardoor alleen het grafeen/PMMA overleeft. Volgende, we spoelen de grafeen/PMMA-set af met DI-water en maken het af met het doelsubstraat. Eindelijk, aceton of gloeien wordt gebruikt om het PMMA te verwijderen. Het hele proces duurt ongeveer 1-1,5 uur." De nieuwe directe overdrachtsmethode elimineert de meeste van de bovenstaande stappen, behalve die met betrekking tot het cooper-etsmiddel en het reinigen met DI-water. "Daarom, " hij voegt toe, "Ik zou zeggen dat directe overboeking ongeveer een half uur scheelt."

Araujo wijst erop dat een sleutelfactor het identificeren van de belangrijke factoren was die nodig zijn voor een succesvolle overdracht op kale substraten. "De eerste stap was het identificeren van verschillen en overeenkomsten tussen de substraten die we gebruikten, of dat zou kunnen worden gebruikt, in ons onderzoek – namelijk, indien poreus/niet-poreus, hydrofoob/hydrofiel, zacht hard, gedrag van onder temperatuurvariatie, enzovoort. Vervolgens, door een zorgvuldig en methodisch plan, we moesten die verschillen/overeenkomsten die geen rol speelden bij de overdracht uitsluiten." Deze stap was bijzonder arbeidsintensief, Araujo zegt, omdat het meerdere directe-overdrachtsexperimenten betrof die onder de extreem gevarieerde omstandigheden werden uitgevoerd. Als resultaat van deze inspanning, de wetenschappers concludeerden dat de belangrijkste factoren van het doelsubstraat de hydrofobiciteit en het contactoppervlak met de grafeen/koperset waren.

Wat betreft ondergronden die niet geschikt zijn voor directe overdracht, het team heeft ook vastgesteld dat PMMA kan worden gebruikt als oppervlaktemodificator of als lijm om een ​​succesvolle grafeenoverdracht te garanderen. "Eerst, we moesten zien of onze hydrofobiciteitsvoorspelling correct was - en PMMA was een zeer handige keuze, omdat het hydrofoob is, " legt Araujo uit, "en. hydrofobe substraten werkten heel goed voor de overdracht. We vroegen daarom of we een hydrofiel substraat konden draaien, waarmee de overdracht eerder was mislukt, in een hydrofoob substraat." Het antwoord was ja - en we kunnen PMMA gebruiken, omdat het zacht is (wat betekent dat het mogelijk de benodigde glastemperatuurovergang zou kunnen bereiken) en hydrofoob. "Echter, " hij voegt toe, " dit leidde ons naar een andere vraag:als we PMMA over het hydrofiele substraat spincoaten, zal de overdracht werken?" Testen toonden aan dat het werkte, waardoor grafeenoverdracht op doek en papier mogelijk is.

Met betrekking tot de demonstratie van het team dat met meerdere lagen geleidende platen met een groot oppervlak op de meeste onderzochte substraten kunnen worden geplaatst, Kong erkent dat deze stap vanuit het oogpunt van directe overdracht eenvoudig was. "Omdat grafeen hydrofoob is, en ervan uitgaande dat de eerste overdracht succesvol was, we konden meerdere overdrachten met succes uitvoeren, "Hij wijst erop. "Het moeilijkste was het vastleggen van scanning-elektronenmicroscoopbeelden van meerdere grafenen over de flexibele substraten. Isolatoren zijn, de substraten worden heel gemakkelijk elektrisch geladen, waardoor we de substraat/grafeenset niet konden zien. Ook, plaatweerstandsmetingen waren lastig, omdat de kwetsbare substraten heel vaak worden beschadigd door de sondes."

Bij het aanpakken van deze uitdagingen, Araujo zegt dat het belangrijkste inzicht voortkwam uit het nadenken over de kritische factoren in de interactie tussen grafeen en PMMA/thermische tapes. "De grote innovatie was zeker om te laten zien dat, voor de meeste commerciële ondergronden, we hebben geen tussenmembraan nodig om grafeen over te brengen naar de flexibele substraten. De afwezigheid van de tussenmembranen zorgt voor een schone transfer die de kwaliteit van het overgedragen materiaal sterk verbetert. Eindelijk, naar mijn mening, het is fantastisch om te laten zien dat we grafeen op doek of papier kunnen overbrengen door het vervolgens te behandelen met een PMMA-membraan dat de omgeving biedt die nodig is om de overdracht te laten werken - een methode kan gemakkelijk worden omschreven als een nieuwe techniek om grafeen over te brengen naar deze klasse van substraten. "

In de nabije toekomst, Kong zegt dat er een sterke behoefte zal zijn aan alternatieve manieren om energie te oogsten. "In deze context, " ze legt uit, "het vermogen om relevante materialen adequaat te synthetiseren en te manipuleren en over te brengen van het groeistation naar de doelplatforms is een groot probleem, aangezien deze stappen de kwaliteit van het eindproduct zullen bepalen. De groei van grafeen is al behoorlijk gevorderd - en wat we met dit onderzoek aanbieden, is een eenvoudig recept om meerdere overdrachten van materialen te maken en tegelijkertijd verontreinigingen te vermijden die worden meegebracht met standaard 'op lijm gebaseerde' procedures."

Araujo ziet deze vooruitgang leiden tot een nieuw tijdperk van hoogwaardige flexibele touchscreens, flexibele lichtemitterende diodes, flexibele sensoren, gasfilters en zonnecellen. Verder, hij merkt op dat met de opkomende interesse in nieuwe gelaagde materialen - bijvoorbeeld boornitride, overgangsmetaal dichalcogeniden, en oxiden - het wordt mogelijk om heterostructuren te fabriceren door verschillende materialen te intercaleren. "De verschillende manieren waarop men de gelaagde materialen intercaleert, zorgt voor een hele nieuwe klasse van toepassingen met elektronica, spintronica, supergeleiding en opto-elektronica, "Aroejo zegt, eraan toevoegend dat de residuvrije overdrachtsprocedure ook een vooruitgang kan betekenen voor het bouwen van hoogwaardige heterostructuren.

"Wat betreft de geplande volgende stappen in ons onderzoek, "Kong gaat verder, "de uitbreiding van onze methodologie moet worden getest met andere gelaagde materialen zoals, inclusief het boornitride, overgangsmetaal dichalcogeniden en oxiden die hierboven genoemd zijn, evenals andere substraten. Er moet ook een grondiger onderzoek worden gedaan naar de temperaturen die de overdracht van warm/koud bepalen."

Een andere uitdaging die Araujo aanhaalt, is de structurele kwaliteit van het overgedragen materiaal. "Hoewel we het residuvrije overdrachtsconcept hebben gedemonstreerd en de redenen voor een succesvolle overdracht hebben aangepakt, de continuïteit van de overgebrachte film is nog niet bij de stand van de techniek. Het gebrek aan continuïteit is welkom voor sommige toepassingen, zoals filters – maar het is ongewenst bij de productie van, bijvoorbeeld, hoogwaardige touchscreen-apparaten. Ook, " concludeert hij, " de uitbreiding van deze techniek om deze residuvrije overdracht op stijve substraten uit te voeren is nog steeds een uitdaging - en het is de moeite waard om te onthouden dat hoewel de technologische aantrekkingskracht van flexibele apparaten hoog is, veel toepassingen waarbij bijvoorbeeld, logische schakelingen, zijn nog steeds sterk verbonden met stijve substraten."

© 2013 Phys.org. Alle rechten voorbehouden.