De belofte van grafeen als materiaal voor nieuwe soorten elektronische apparaten, onder andere toepassingen, heeft ertoe geleid dat onderzoekers over de hele wereld het materiaal hebben bestudeerd op zoek naar nieuwe toepassingen. Maar een van de grootste beperkingen voor een breder gebruik van de sterke, lichtgewicht, sterk geleidend materiaal is de hindernis geweest bij fabricage op industriële schaal.

Eerste werk met het koolstofmateriaal, die een gaas op atomaire schaal vormt en slechts één atoom dik is, heeft vertrouwd op het gebruik van kleine vlokken, meestal verkregen door snel een stuk plakband van een blok grafiet te verwijderen - een low-tech systeem dat zich niet leent voor productie. Vanaf dat moment, focus is verschoven naar het maken van grafeenfilms op metaalfolie, maar onderzoekers hebben problemen ondervonden bij het overbrengen van het grafeen van de folie naar bruikbare substraten.

Nu hebben onderzoekers van MIT en de Universiteit van Michigan een manier bedacht om grafeen te produceren, in een proces dat zich leent voor opschaling, door grafeen rechtstreeks op materialen zoals grote glasplaten te maken. Het proces wordt beschreven, in een artikel dat deze week in het tijdschrift is gepubliceerd Wetenschappelijke rapporten , door een team van negen onderzoekers onder leiding van A. John Hart van MIT. Hoofdauteurs van het artikel zijn Dan McNerny, een voormalige MIT-postdoc die nu in Michigan is, en Viswanath Balakrishnan, een voormalig MIT-postdoc die nu aan het Indian Institute of Technology werkt.

Momenteel, de meeste methoden om grafeen te maken, laten het materiaal eerst groeien op een film van metaal, zoals nikkel of koper, zegt Hart, de Mitsui Career Development Universitair Hoofddocent Werktuigbouwkunde. "Om het nuttig te maken, je moet het van het metaal en op een ondergrond krijgen, zoals een siliciumwafel of een polymeervel, of iets groters als een glasplaat, "zegt hij. "Maar het proces van het overbrengen van het is veel frustrerender geworden dan het proces van het groeien van het grafeen zelf, en kan het grafeen beschadigen en besmetten."

Het nieuwe werk, Hart zegt, gebruikt nog steeds een metaalfilm als sjabloon, maar in plaats van grafeen alleen op de metaalfilm te maken, het maakt grafeen aan zowel de boven- als onderkant van de film. Het substraat is in dit geval siliciumdioxide, een vorm van glas, met daarop een laagje nikkel.

Met behulp van chemische dampafzetting (CVD) om een ​​grafeenlaag op de nikkelfilm af te zetten, Hart zegt, levert "niet alleen grafeen bovenop [van de nikkellaag], maar ook op de bodem." De nikkelfilm kan dan worden afgepeld, waardoor alleen het grafeen op het niet-metalen substraat achterblijft.

Op deze manier, er is geen apart proces nodig om het grafeen aan het beoogde substraat te bevestigen - of het nu gaat om een ​​grote glasplaat voor een beeldscherm, of een dunne, flexibel materiaal dat kan worden gebruikt als basis voor een lichtgewicht, draagbare zonnecel, bijvoorbeeld. "Je doet de CVD op het substraat, en, met behulp van onze methode, het grafeen blijft achter op het substraat, ' zegt Hart.

Naast de onderzoekers in Michigan, waar Hart eerder lesgaf, het werk is gedaan in samenwerking met een grote glasfabrikant, Guardian Industries. "Om aan hun productiebehoeften te voldoen, het moet zeer schaalbaar zijn, " zegt Hart. Het bedrijf maakt momenteel gebruik van een floatproces, waar glas zich met een snelheid van enkele meters per minuut voortbeweegt in installaties die dagelijks honderden tonnen glas produceren. "We werden geïnspireerd door de noodzaak om een ​​schaalbaar productieproces te ontwikkelen waarmee grafeen rechtstreeks op een glassubstraat kan worden geproduceerd. ' zegt Hart.

Het werk bevindt zich nog in een vroeg stadium; Hart waarschuwt dat "we nog steeds de uniformiteit en de kwaliteit van het grafeen moeten verbeteren om het bruikbaar te maken." Maar het potentieel is groot, hij suggereert:"De mogelijkheid om grafeen rechtstreeks op niet-metalen substraten te produceren, zou kunnen worden gebruikt voor grootformaat displays en aanraakschermen, en voor 'slimme' ramen met geïntegreerde apparaten zoals verwarmingen en sensoren."

Hart voegt eraan toe dat de aanpak ook kan worden gebruikt voor kleinschalige toepassingen, zoals geïntegreerde schakelingen op siliciumwafels, of grafeen kan worden gesynthetiseerd bij lagere temperaturen dan werd gebruikt in de huidige studie.

"Dit nieuwe proces is gebaseerd op een goed begrip van de groei van grafeen in combinatie met de mechanica van de nikkelfilm, " zegt hij. "We hebben aangetoond dat dit mechanisme kan werken. Nu is het een kwestie van de eigenschappen verbeteren die nodig zijn om een ​​hoogwaardige grafeencoating te produceren."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.