Een nieuwe techniek die bij Caltech is uitgevonden om grafeen te produceren - een materiaal dat bestaat uit een atoomdikke laag koolstof - bij kamertemperatuur kan helpen de weg vrij te maken voor commercieel haalbare op grafeen gebaseerde zonnecellen en lichtemitterende diodes. grote beeldschermen, en flexibele elektronica.

"Met deze nieuwe techniek we kunnen grote vellen grafeen van elektronische kwaliteit kweken in veel minder tijd en bij veel lagere temperaturen, " zegt Caltech-stafwetenschapper David Boyd, die de methode heeft ontwikkeld.

Boyd is de eerste auteur van een nieuwe studie, gepubliceerd in het nummer van 18 maart van het tijdschrift Natuurcommunicatie , detaillering van het nieuwe productieproces en de nieuwe eigenschappen van het grafeen dat het produceert.

Grafeen kan een revolutie teweegbrengen in een verscheidenheid aan technische en wetenschappelijke gebieden vanwege zijn unieke eigenschappen, waaronder een treksterkte die 200 keer sterker is dan die van staal en een elektrische mobiliteit die twee tot drie ordes van grootte beter is dan die van silicium. De elektrische mobiliteit van een materiaal is een maat voor hoe gemakkelijk elektronen over het oppervlak kunnen reizen.

Echter, het bereiken van deze eigenschappen op een industrieel relevante schaal is ingewikkeld gebleken. Bestaande technieken vereisen veel te hoge temperaturen-1, 800 graden Fahrenheit, of 1, 000 graden Celsius - voor het integreren van grafeenfabricage met de huidige elektronische productie. Aanvullend, hoge temperatuur groei van grafeen heeft de neiging om grote, oncontroleerbaar verdeelde spanning - vervorming - in het materiaal, die de intrinsieke eigenschappen ernstig aantast.

"Eerder, mensen konden maar een paar vierkante millimeter high-mobility grafeen per keer laten groeien, en het vereiste zeer hoge temperaturen, lange tijd, en veel trappen, " zegt Caltech natuurkundeprofessor Nai-Chang Yeh, de Fletcher Jones Foundation Co-Director van het Kavli Nanoscience Institute en de corresponderende auteur van de nieuwe studie. "Onze nieuwe methode kan consistent hoge mobiliteit en bijna spanningsvrij grafeen produceren in een enkele stap in slechts een paar minuten zonder hoge temperatuur. We hebben steekproefgroottes van enkele vierkante centimeters gemaakt, en aangezien we denken dat onze methode schaalbaar is, we geloven dat we vellen kunnen kweken die tot enkele vierkante centimeters of groter kunnen zijn, de weg vrijmaken voor realistische grootschalige toepassingen."

Het nieuwe productieproces was misschien helemaal niet ontdekt, zo niet voor een gelukkige wending van de gebeurtenissen. In 2012, jongen, werkte toen in het lab van wijlen David Goodwin, destijds een Caltech-hoogleraar werktuigbouwkunde en toegepaste natuurkunde, probeerde een productieproces voor grafeen te reproduceren waarover hij in een wetenschappelijk tijdschrift had gelezen. In dit proces, verwarmd koper wordt gebruikt om de groei van grafeen te katalyseren. "Ik speelde ermee tijdens mijn lunchpauze, " zegt Boyd, die nu samenwerkt met Yeh's onderzoeksgroep. "Maar het recept werkte niet. Het leek een heel eenvoudig proces. Ik had zelfs betere apparatuur dan wat in het oorspronkelijke experiment werd gebruikt, dus het had makkelijker voor mij moeten zijn."

Tijdens een van zijn pogingen om het experiment te reproduceren, de telefoon ging over. Terwijl Boyd de oproep aannam, hij onbedoeld een koperfolie langer dan normaal laat opwarmen voordat hij deze blootstelt aan methaandamp, die de koolstofatomen levert die nodig zijn voor grafeengroei.

Toen Boyd later de koperplaat onderzocht met behulp van Raman-spectroscopie, een techniek die wordt gebruikt voor het detecteren en identificeren van grafeen, hij zag aanwijzingen dat er inderdaad een grafeenlaag was gevormd. "Het was een 'A-ha!' moment, " zegt Boyd. "Toen realiseerde ik me dat de truc voor groei is om een ​​heel schoon oppervlak te hebben, een zonder het koperoxide."

Zoals Boyd zich herinnert, hij herinnerde zich toen dat Robert Millikan, een Nobelprijswinnende natuurkundige en het hoofd van Caltech van 1921 tot 1945, had ook te maken met het verwijderen van koperoxide toen hij zijn beroemde experiment uit 1916 uitvoerde om de constante van Planck te meten, wat belangrijk is voor het berekenen van de hoeveelheid energie van een enkel lichtdeeltje, of foton, Boyd vroeg zich af of hij, zoals Millikan, een methode kon bedenken om zijn koper te reinigen terwijl het onder vacuümomstandigheden was.

De oplossing die Boyd bedacht, was om een ​​systeem te gebruiken dat voor het eerst in de jaren zestig was ontwikkeld om een ​​waterstofplasma te genereren, dat wil zeggen:waterstofgas dat is geëlektrificeerd om de elektronen van de protonen te scheiden - om het koperoxide bij veel lagere temperaturen te verwijderen. Zijn eerste experimenten onthulden niet alleen dat de techniek werkte om het koperoxide te verwijderen, maar dat het tegelijkertijd ook grafeen produceerde.

Aanvankelijk, Boyd begreep niet waarom de techniek zo succesvol was. Later ontdekte hij dat twee lekkende kleppen sporen van methaan in de experimentkamer binnenlieten. "De kleppen lieten precies de juiste hoeveelheid methaan binnen om grafeen te laten groeien, " hij zegt.

De mogelijkheid om grafeen te produceren zonder dat actieve verwarming nodig is, verlaagt niet alleen de productiekosten, maar resulteert ook in een beter product omdat er minder defecten ontstaan ​​als gevolg van thermische uitzettings- en krimpprocessen. Dit elimineert op zijn beurt de noodzaak voor meerdere postproductiestappen. "Typisch, het duurt ongeveer tien uur en negen tot tien verschillende stappen om een ​​batch grafeen met hoge mobiliteit te maken met behulp van groeimethoden bij hoge temperatuur, " Zegt Yeh. "Ons proces omvat één stap, en het duurt vijf minuten."

Uit werk van Yeh's groep en internationale medewerkers bleek later dat grafeen gemaakt met behulp van de nieuwe techniek van hogere kwaliteit is dan grafeen dat met conventionele methoden is gemaakt:het is sterker omdat het minder defecten bevat die de mechanische sterkte zouden kunnen verzwakken, en het heeft de hoogste elektrische mobiliteit tot nu toe gemeten voor synthetisch grafeen.

Het team denkt dat een van de redenen waarom hun techniek zo efficiënt is, is dat een chemische reactie tussen het waterstofplasma en luchtmoleculen in de atmosfeer van de kamer cyaanradicalen genereert - koolstof-stikstofmoleculen die van hun elektronen zijn ontdaan. Als kleine superscrubbers, deze geladen moleculen schuren effectief het koper van oppervlakte-imperfecties en zorgen voor een ongerept oppervlak waarop grafeen kan groeien.

De wetenschappers ontdekten ook dat hun grafeen op een bijzondere manier groeit. Grafeen geproduceerd met conventionele thermische processen groeit uit een willekeurig lappendeken van afzettingen. Maar grafeengroei met de plasmatechniek is meer geordend. The graphene deposits form lines that then grow into a seamless sheet, which contributes to its mechanical and electrical integrity.

A scaled-up version of their plasma technique could open the door for new kinds of electronics manufacturing, Yeh says. Bijvoorbeeld, graphene sheets with low concentrations of defects could be used to protect materials against degradation from exposure to the environment. Another possibility would be to grow large sheets of graphene that can be used as a transparent conducting electrode for solar cells and display panels. "In de toekomst, you could have graphene-based cell-phone displays that generate their own power, " Yeh says.

Een andere mogelijkheid, ze zegt, is to introduce intentionally imperfections into graphene's lattice structure to create specific mechanical and electronic attributes. "If you can strain graphene by design at the nanoscale, you can artificially engineer its properties. But for this to work, you need to start with a perfectly smooth, strain-free sheet of graphene, " Yeh says. "You can't do this if you have a sheet of graphene that has uncontrollable defects in different places."