Grafeen is een van de meest veelbelovende nieuwe materialen. Echter, onderzoekers over de hele wereld zijn nog steeds op zoek naar een manier om tegen lage kosten foutloos grafeen te produceren. Chemici van de Friedrich-Alexander-Universiät Erlangen-Nürnberg (FAU) zijn er nu voor het eerst in geslaagd om defectvrij grafeen rechtstreeks uit grafiet te produceren. Ze publiceerden onlangs hun bevindingen in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Grafeen is tweedimensionaal en bestaat uit een enkele laag koolstofatomen. Het is bijzonder goed in het geleiden van elektriciteit en warmte, transparant en flexibel en toch sterk. De unieke eigenschappen van grafeen maken het geschikt voor gebruik in een breed scala aan baanbrekende technologieën, zoals in transparante elektroden voor flexibele displays.

Echter, de halfgeleiderindustrie kan grafeen pas met succes gebruiken als eigenschappen zoals de grootte, oppervlakte en aantal defecten - die de geleidbaarheid beïnvloeden - kunnen tijdens de synthese worden verbeterd. Een team van FAU-onderzoekers onder leiding van Dr. Andreas Hirsch van de leerstoel Organische Chemie II heeft onlangs een cruciale doorbraak gemaakt op dit gebied. Met behulp van het additief benzonitril, ze hebben een manier gevonden om direct uit een oplossing defectvrij grafeen te produceren. Hun methode maakt het mogelijk om het grafeen - dat van een hogere kwaliteit is dan ooit tevoren - te snijden zonder defecten te veroorzaken en maakt het ook mogelijk om specifieke elektronische eigenschappen in te stellen door het aantal ladingsdragers. Verder, hun techniek is zowel goedkoop als efficiënt.

Een gebruikelijke manier om grafeen te synthetiseren is door middel van chemische exfoliatie van grafiet. In dit proces, metaalionen zijn ingebed in grafiet, die is gemaakt van koolstof, resulterend in wat bekend staat als een intercalatieverbinding. De afzonderlijke koolstoflagen - het grafeen - worden gescheiden met behulp van oplosmiddelen. Het gestabiliseerde grafeen moet dan van het oplosmiddel worden gescheiden en opnieuw worden geoxideerd. Echter, defecten in de afzonderlijke koolstoflagen, zoals hydratatie en oxidatie van koolstofatomen in het rooster, kan optreden tijdens dit proces. FAU-onderzoekers hebben nu een oplossing voor dit probleem gevonden. Door toevoeging van het oplosmiddel benzonitril, het grafeen kan worden verwijderd zonder dat er extra functionele groepen worden gevormd - en het blijft defectvrij.

'Deze ontdekking is een doorbraak voor experts op het internationale gebied van reductieve grafeensynthese, ' legt professor Hirsch uit. 'Op basis van deze ontdekking kunnen we grote vooruitgang verwachten in de toepassingen van dit type grafeen dat wordt geproduceerd met behulp van natte chemische exfoliatie. Denk bijvoorbeeld aan het foutloos snijden van grafeen voor halfgeleider- of sensortechnologie.'

Aanvullende voordelen

De methode van FAU-onderzoekers heeft nog een voordeel:het gereduceerde benzonitrilmolecuul dat tijdens de reactie wordt gevormd, wordt rood zolang het niet in contact komt met zuurstof of water. Door deze kleurverandering kan het aantal ladingsdragers in het systeem eenvoudig worden bepaald door middel van absorptiemetingen. Dit kon voorheen alleen door het meten van spanning en betekent dat grafeen- en batterijonderzoekers nu een nieuwe manier hebben om de laadtoestand te meten.