Chemici van Europa's Graphene Flagship beoordelen het potentieel van grafeen-organische composietmaterialen in elektronica. De onderzoekers laten zien hoe organische halfgeleiders kunnen worden gebruikt om grafeen beter te verwerken, en om de eigenschappen ervan af te stemmen op bepaalde toepassingen.

De bekendste van alle tweedimensionale materialen, grafeen heeft eigenschappen die het aantrekkelijk maken voor een hele reeks mechanische, optische en elektronische toepassingen. Grafeen is een uitdaging om op industriële schaal te produceren, echter, en het kan moeilijk zijn om de eigenschappen ervan af te stemmen op specifieke functies. In de hoop deze twee problemen tegelijk op te lossen, onderzoeksinteresse gaat uit naar de interactie van grafeen met op maat gemaakte organische halfgeleiders.

Chemici zijn al lang geïnteresseerd in organische moleculen voor nanotechnologische toepassingen. Kleinere organische moleculen kunnen de moleculaire assemblage van koolstofnanomaterialen tot sterk geordende architecturen zoals nanovezels, kristallen en monolagen. De ruggengraat van koolstofatomen in polymeren, anderzijds, kan leiden tot meer ongeordende grootschalige bijeenkomsten, maar de langwerpige en flexibele vormen van polymeren zorgen voor een hoge oplosbaarheid en een efficiënt transport van elektrische lading.

Schaalbare verwerking en functionalisering van grafeen is het onderwerp van een hoofdartikel van drie Graphene Flagship-wetenschappers die schrijven in het tijdschrift Royal Society of Chemistry, de Journal of Materials Chemistry C . Het Graphene Flagship is een internationaal consortium van academische en industriële partners, medegefinancierd door de Europese Commissie, die zich richt op de ontwikkeling van grafeen en gerelateerde 2D-materialen.

Andrea Schlierf, Paolo Samorì en Vincenzo Palermo kijken in hun review naar een aantal commerciële polymeren, waarvan de mechanische en elektrische eigenschappen kunnen worden verbeterd door de toevoeging van grafeen. De auteurs beschouwen grafeen ook als een substraat voor biomedische toepassingen, en het gebruik van organische halfgeleiders om een ​​elektronische bandgap in grafeen te openen. De afwezigheid van een band gap in de pure vorm van dit sterk geleidende materiaal is een groot probleem dat de exploitatie ervan in de elektronica belemmert.

Deponeer kleine organische moleculen op een vlak koolstofoppervlak zoals grafeen, en men kan dat oppervlak moduleren via het extern ongerichte chemische proces dat bekend staat als zelfassemblage. Er zijn veel klassen van moleculen die voor dit doel kunnen worden gebruikt, variërend van eenvoudige alkanen tot grotere aromatische koolwaterstoffen. Zelfassemblage wordt in alle gevallen aangedreven door een complex samenspel tussen intermoleculaire en molecuul-substraat interacties.

Experimentele resultaten tonen aan dat de kiemvorming, oriëntatie en verpakking van organische halfgeleiders op grafeen zijn heel anders dan die gekweekt op conventionele substraten zoals silicium en grafiet. Het toevoegen van chemische zijketens aan de ruggengraat van de organische moleculen kan ook functionaliteiten blootleggen die in synergie werken met of tegengesteld zijn aan de kerninteractie tussen de geadsorbeerde moleculen en grafeen, wat leidt tot complexere zelfassemblagetrajecten.

Het coaten van grafeen met organische moleculen in een vacuüm is één ding, maar als het gaat om functionalisering en kosten, oplosbare grafeen-organische hybride systemen hebben duidelijke voordelen ten opzichte van grafeen geproduceerd door chemische dampafzetting of epitaxiale groei. Grafeen-organische suspensies kunnen worden verwerkt met grootschalige depositietechnieken zoals inkjetprinten, met het grafeen geproduceerd door exfoliatie in de vloeibare fase in een organisch oplosmiddel. Dit is de gootsteenbenadering van de productie van grafeen, en het proces is goedkoop, effectief en zeer schaalbaar.

Een voorbeeld van deze op vloeistof gebaseerde benadering van grafeenafschilfering wordt gegeven in een andere recente onderzoekspublicatie waaraan alle drie de recensie-auteurs hebben bijgedragen. In een paper gepubliceerd in het Institute of Physics tijdschrift 2D Materials, Schlierf en haar collega's beschrijven de exfoliatie, verwerking en opname in polymeercomposieten van grafeen nano-bloedplaatjes met behulp van indanthron blauw sulfonzuur natriumzout, een veelgebruikte industriële kleurstof die kortweg IBS wordt genoemd.

Zoals gebruikelijk is bij composiet nanomaterialen in het algemeen, de adsorptie van organische moleculen aan grafeen kan een significant effect hebben op de elektronische eigenschappen van grafeen. De invloed van deze materiële doping wordt bevestigd door spectroscopische metingen, en omvat G-bandsplitsing in Raman-spectra.

Een ander opmerkelijk effect van grafeen-organische interacties is het uitdoven van de fluorescentie in lichtemitterende kleurstoffen door lading of energieoverdracht. In dit geval, de interactie wordt geassocieerd met elektromagnetische velden die sterk worden versterkt als gevolg van het energie-afvoerende karakter van grafeen. Het is deze kwaliteit van grafeen die het een veelbelovend materiaal maakt voor fotodetectie, nano-fotonische en fotovoltaïsche toepassingen.

Adsorptie van organische halfgeleiders kan ook een magnetische functie verlenen aan grafeen, aanvulling op zijn elektronische, mechanische en optische eigenschappen. Dit zou kunnen leiden tot de toepassing van grafeen-organische hybride materialen in spintronica, met magnetische functionaliteiten die de spinpolarisatie van elektrische stromen die in grafeen stromen veranderen.

Spintronica terzijde, het potentieel voor grafeen in de elektronica berust grotendeels op de toepassing ervan in geïntegreerde schakelingen, en bijvoorbeeld in de componenten die bekend staan ​​als veldeffecttransistoren (FET's). Het probleem met grafeen, tenminste in zijn oorspronkelijke vorm, is dat de hoge mobiliteit van de ladingsdrager wordt gecompenseerd door een zeer slechte aan-uit-stroomschakelverhouding. Doping grafeen met andere materialen kan dit tot op zekere hoogte verbeteren, maar er is een andere manier om het probleem te benaderen. Grafeen kan worden opgenomen in organische FET's, resulterend in verhoogde elektronenmobiliteit, en schakelverhoudingen vergelijkbaar met of beter dan die waargenomen in organische FET's zonder grafeen.

De focus ligt hier op grafeen, maar grafeen is slechts een van de honderden tweedimensionale materialen die van belang zijn voor vooraanstaande onderzoekers en de industrie. Andere gelaagde materialen die van belang zijn, zijn onder meer boornitride en molybdeendisulfide (MoS2), waarvan de halfgeleiderkwaliteiten hen een voordeel geven ten opzichte van puur grafeen in bepaalde toepassingen. Dergelijke 2D-materialen kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt in transistorpoortisolatoren, fotogevoelige componenten, als actieve materialen voor FET's, of in elektroden. Een polymeercomposiet van geëxfolieerd MoS2 in de vloeibare fase en polyethyleenoxide is onlangs aangetoond als anodemateriaal voor lithium-ionbatterijen. Het composiet vertoont hoge opslagcapaciteiten voor ladingen, en omkeerbaarheid op lange termijn.

In tegenstelling tot silicium wordt grafeen vaak genoemd als het elektronische materiaal van een 'post-siliciumtijdperk'. De werkelijkheid is genuanceerder dan dit geïdealiseerde beeld, maar nog steeds, grafeen kan in sommige opzichten beter presteren dan silicium. Het opent ook nieuwe mogelijkheden, vooral bij gebruik in combinatie met andere materialen.

"Een groot voordeel van grafeen ten opzichte van silicium is dat het gebaseerd is op koolstof, die de basis vormt van alle organische materialen", zegt Vincenzo Palermo, die aan het hoofd staat van de afdeling functionele organische materialen van het Instituut voor Organische Synthese en Fotoreactiviteit van de Italiaanse Nationale Onderzoeksraad in Bologna. "Deze affiniteit van grafeen met organische verbindingen zorgt voor een naadloze integratie van grafeen in composietmaterialen voor flexibele elektronica, detectie en biomedische toepassingen. Grafeen kan sterk interageren met en de morfologie van de meeste organische moleculen afstemmen, en het doet dat op een meer gecontroleerde manier dan het geval is met andere materialen zoals silicium of metalen."

Zoals Palermo en zijn co-auteurs in hun conclusie van hun recensie stellen, de mogelijkheid om op koolstof gebaseerde materialen met zeer verschillende eigenschappen te combineren, moet de integratie van hogesnelheidselektronica mogelijk maken, organische elektronica en composietmaterialenwetenschap.