grafeen, de tweedimensionale krachtpatser, packs extreme duurzaamheid, elektrische geleiding, en transparantie in een één-atoom dik vel koolstof. Ondanks dat het werd aangekondigd als een doorbraak "wondermateriaal, "grafeen is traag in commerciële en industriële producten en processen gesprongen.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers hebben een eenvoudige en krachtige methode ontwikkeld om veerkrachtige, aangepast, en hoogwaardig grafeen:gelaagdheid bovenop gewoon glas. Dit schaalbare en goedkope proces maakt de weg vrij voor een nieuwe klasse van micro-elektronische en opto-elektronische apparaten, van efficiënte zonnecellen tot aanraakschermen.

De samenwerking, geleid door wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), Stony Brook University (SBU), en de Colleges of Nanoscale Science and Engineering van het SUNY Polytechnic Institute - publiceerden hun resultaten op 12 februari, 2016, in het journaal Wetenschappelijke rapporten .

"We zijn van mening dat dit werk de ontwikkeling van echt schaalbare grafeentechnologieën aanzienlijk kan bevorderen, " zei studie co-auteur Matthew Eisaman, een natuurkundige bij Brookhaven Lab en professor bij SBU.

De wetenschappers bouwden de proof-of-concept grafeen-apparaten op substraten gemaakt van natronkalkglas - het meest voorkomende glas in ramen, flessen, en vele andere producten. In een onverwachte wending, de natriumatomen in het glas hadden een krachtig effect op de elektronische eigenschappen van het grafeen.

"Het natrium in het natronkalkglas zorgt voor een hoge elektronendichtheid in het grafeen, dat essentieel is voor veel processen en een uitdaging was om te bereiken, " zei co-auteur Nanditha Dissanayake van Voxtel, Inc., maar voorheen van Brookhaven Lab. "We hebben deze efficiënte en robuuste oplossing eigenlijk ontdekt tijdens het nastreven van iets complexers. Dergelijke verrassingen maken deel uit van de schoonheid van de wetenschap."

Cruciaal, het effect bleef sterk, zelfs wanneer de apparaten enkele weken aan lucht werden blootgesteld - een duidelijke verbetering ten opzichte van concurrerende technieken.

Het experimentele werk werd voornamelijk gedaan bij Brookhaven's Sustainable Energy Technologies Department en het Centre for Functional Nanomaterials (CFN), dat is een DOE Office of Science User Facility.

De grafeen tweaks in kwestie draaien om een ​​proces genaamd doping, waarbij de elektronische eigenschappen zijn geoptimaliseerd voor gebruik in apparaten. Deze aanpassing omvat het vergroten van het aantal elektronen of de elektronenvrije "gaten" in een materiaal om de perfecte balans te vinden voor verschillende toepassingen. Voor succesvolle real-world apparaten, het is ook erg belangrijk dat het lokale aantal elektronen dat naar het grafeen wordt overgebracht niet in de loop van de tijd afneemt.

"Het dopingproces van grafeen omvat meestal de introductie van externe chemicaliën, wat niet alleen de complexiteit vergroot, maar het kan het materiaal ook kwetsbaarder maken voor degradatie, "Zei Eisaman. "Gelukkig, we hebben een kortere weg gevonden die die obstakels heeft overwonnen."

Het team wilde aanvankelijk een zonnecel optimaliseren die grafeen bevat, gestapeld op een hoogwaardige koper-indium-galliumdiselenide (CIGS)-halfgeleider. die op zijn beurt werd gestapeld op een industrieel natronkalkglassubstraat.

De wetenschappers voerden vervolgens voorlopige tests uit van het nieuwe systeem om een ​​basislijn te bieden voor het testen van de effecten van daaropvolgende doping. Maar deze tests brachten iets vreemds aan het licht:het grafeen was al optimaal gedoteerd zonder de introductie van extra chemicaliën.

"Tot onze verbazing de grafeen- en CIGS-lagen vormden al een goede zonnecelverbinding!', zei Dissanayake. 'Na veel onderzoek, en de latere isolatie van grafeen op het glas, we ontdekten dat het natrium in het substraat automatisch een hoge elektronendichtheid creëerde in ons meerlagige grafeen."

Om het mechanisme vast te stellen waarmee natrium als een doteringsmiddel werkt, was een nauwgezette verkenning van het systeem en de prestaties ervan onder verschillende omstandigheden nodig, waaronder het maken van apparaten en het meten van de dopingsterkte op een breed scala aan substraten, zowel met als zonder natrium.

"Het ontwikkelen en karakteriseren van de apparaten vereiste complexe nanofabricage, delicate overdracht van het atomair dunne grafeen op ruwe substraten, gedetailleerde structurele en elektro-optische karakterisering, en ook de mogelijkheid om de CIGS-halfgeleider te laten groeien, " zei Dissanayake. "Gelukkig, we hadden zowel de expertise als de modernste instrumenten bij de hand om al die uitdagingen aan te gaan, evenals genereuze financiering."

Het grootste deel van het experimentele werk werd uitgevoerd in Brookhaven Lab met behulp van in-house ontwikkelde technieken, inclusief geavanceerde lithografie. Voor de hoge resolutie elektronenmicroscopie metingen, CFN-personeelswetenschappers en studiecoauteurs Kim Kisslinger en Lihua Zhang leenden hun expertise. Medeauteurs Harry Efstathiadis en Daniel Dwyer - beiden aan het College of Nanoscale Science and Engineering aan het SUNY Polytechnic Institute - leidden de inspanningen om de hoogwaardige CIGS-films te laten groeien en karakteriseren.

"Nu we het basisconcept hebben gedemonstreerd, we willen ons vervolgens concentreren op het aantonen van fijne controle over de dopingsterkte en ruimtelijke patronen, ' zei Eisman.

De wetenschappers moeten nu dieper ingaan op de fundamenten van het dopingmechanisme en de veerkracht van het materiaal tijdens blootstelling aan reële bedrijfsomstandigheden nauwkeuriger bestuderen. De eerste resultaten, echter, suggereren dat de glas-grafeenmethode veel beter bestand is tegen degradatie dan veel andere dopingtechnieken.

"De potentiële toepassingen van grafeen raken veel onderdelen van ieders dagelijks leven, van consumentenelektronica tot energietechnologieën, "Zei Eisaman. "Het is te vroeg om precies te zeggen welke impact onze resultaten zullen hebben, maar dit is een belangrijke stap om sommige van deze applicaties mogelijk echt betaalbaar en schaalbaar te maken."

Bijvoorbeeld, de hoge geleidbaarheid en transparantie van grafeen maken het een veelbelovende kandidaat als een transparant, geleidende elektrode ter vervanging van het relatief broze en dure indiumtinoxide (ITO) in toepassingen zoals zonnecellen, organische lichtemitterende diodes (OLED's), vlakke paneelvertoningen, en touchscreens. Om ITO te vervangen, Er moeten schaalbare en goedkope methoden worden ontwikkeld om de weerstand van grafeen tegen de stroom van elektrische stroom te beheersen door de doteringssterkte te regelen. Dit nieuwe glas-grafeensysteem zou die uitdaging kunnen aangaan, zeggen de onderzoekers.