Met een nieuwe schaalbare techniek kunnen millimetergrote kristallen van hoogwaardig grafeen in minuten in plaats van uren worden gemaakt. Onderzoekers van de Universiteit van Oxford hebben aangetoond.

In slechts 15 minuten kan de methode grote grafeenkristallen produceren van ongeveer 2-3 millimeter groot die tot 19 uur zouden duren om te produceren met behulp van de huidige chemische dampafzetting (CVD) technieken waarbij koolstof in gas reageert met, bijvoorbeeld, koper om grafeen te vormen.

Grafeen belooft een 'wondermateriaal' te worden voor het bouwen van nieuwe technologieën vanwege de combinatie van kracht, flexibiliteit, elektrische eigenschappen, en chemische bestendigheid. Maar deze belofte wordt alleen waargemaakt als deze op commerciële schaal kosteneffectief kan worden geproduceerd.

De onderzoekers namen een dunne laag silica afgezet op een platinafolie die, bij verhitting, reageert om een ​​laag platinasilicide te creëren. Deze laag smelt bij een lagere temperatuur dan platina of silica, waardoor een dunne vloeistoflaag ontstaat die nanoschaal 'dalen' in het platina gladstrijkt, zodat koolstofatomen in methaangas dat het oppervlak borstelt meer geneigd zijn om grote vlokken grafeen te vormen.

Een rapport van het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

'We kunnen niet alleen in enkele minuten grafeenvlokken van millimeters maken, maar dit grafeen is van een vergelijkbare kwaliteit als alles wat andere methoden kunnen produceren, ' zei professor Nicole Grobert van de afdeling Materialen van de Universiteit van Oxford, die het onderzoek leidde. 'Omdat het op natuurlijke wijze in enkele grafeenkristallen mag groeien, zijn er geen van de korrelgrenzen die de mechanische en elektrische eigenschappen van het materiaal nadelig kunnen beïnvloeden.'

Co-auteur Vitaliy Babenko, een DPhil-student aan de afdeling Materialen van de Universiteit van Oxford, zei:'Het op deze manier gebruiken van algemeen beschikbare polykristallijne metalen kan veel mogelijkheden bieden voor kostenbesparing en grootschaliger grafeenproductie voor toepassingen waar grafeen van zeer hoge kwaliteit nodig is.'

Qua grootte steekt de nieuwe aanpak gunstig af bij de gebruikelijke 'Scotch tape-methode, ' waarbij een stukje tape wordt gebruikt om grafeenfragmenten van een stuk grafiet af te pellen, die vlokken produceert van ongeveer 10 micron (0,01 millimeter). Door CVD met alleen platina te gebruiken, ontstaan ​​vlokken van ongeveer 80 micron (0,08 mm). Maar met de vloeibare laag platinasilicide laten de onderzoekers zien dat grafeenkristallen van 2-3 millimeter in minuten kunnen worden geproduceerd.

Van alle technieken die momenteel worden gebruikt om verschillende soorten grafeen-CVD te maken, is dit de meest veelbelovende voor opschaling tot een kosteneffectief industrieel proces. Het Oxford-team is van mening dat hun aanpak naast snelheid en kwaliteit ook voordelen kan hebben:met een dikkere vloeistoflaag om het te isoleren, hoeft grafeen misschien niet van het substraat te worden verwijderd voordat het kan worden gebruikt - een kostbare en tijdrovende extra stap die vereist is met alle andere methoden.

'Dit is een proof-of-principlestudie die aantoont dat hoogwaardig grafeen, in de vorm van een enkele laag koolstofatomen, kan worden gemaakt op de grootte en tijdschaal die iemand die technologieën wil bouwen, zou willen, ' zei professor Grobert. 'Natuurlijk is er nog veel meer werk nodig voordat we grafeentechnologie krijgen, maar we staan ​​nu op het punt om dit materiaal de sprong te zien maken van het laboratorium naar een productieomgeving, en we werken graag samen met industriële partners om dit mogelijk te maken.'

De onderzoekers zeggen dat, in theorie, het zou mogelijk zijn om deze techniek verder te ontwikkelen en op te schalen om vlokken grafeen te produceren in grote platen ter grootte van een wafeltje.

Deze uitvinding draagt ​​bij aan de groeiende octrooiportfolio van nanomaterialen en hun productietechnologieën van Professor Nicole Grobert's Nanomaterials by Design Group. Onder een commercialiseringsprogramma ontwikkeld door Isis Innovation, het technologie-commercialiseringsbedrijf van de Universiteit van Oxford, de Groep gaat samenwerkingsverbanden aan met industriële partners als een essentieel onderdeel van de ontwikkeling van de producten van de Groep voor mogelijke toepassingen. Professor Grobert is ook van plan om haar assortiment gespecialiseerde nanomaterialen te produceren en te verkopen als onderdeel van een nieuwe zakelijke onderneming.