Nieuw onderzoek onthult waarom het "supermateriële" grafeen de elektronica niet heeft getransformeerd zoals beloofd, en laat zien hoe je zijn prestaties kunt verdubbelen en uiteindelijk zijn buitengewone potentieel kunt benutten.

Grafeen is het sterkste materiaal dat ooit is getest. Het is ook flexibel, transparant en geleidt warmte en elektriciteit 10 keer beter dan koper.

Nadat grafeenonderzoek in 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde won, werd het geprezen als een transformatief materiaal voor flexibele elektronica, krachtigere computerchips en zonnepanelen, waterfilters en biosensoren. Maar de prestaties zijn gemengd en de acceptatie door de industrie is traag.

Nu is een studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie identificeert siliciumverontreiniging als de hoofdoorzaak van teleurstellende resultaten en geeft aan hoe beter presterende, puur grafeen.

Het RMIT University-team onder leiding van Dr. Dorna Esrafilzadeh en Dr. Rouhollah Ali Jalili inspecteerde commercieel verkrijgbare grafeenmonsters, atoom voor atoom, met een state-of-art scanning transitie-elektronenmicroscoop.

"We vonden hoge niveaus van siliciumverontreiniging in commercieel verkrijgbaar grafeen, met enorme gevolgen voor de prestaties van het materiaal, ' zei Esrafilzadeh.

Testen toonden aan dat silicium aanwezig in natuurlijk grafiet, de grondstof die gebruikt wordt om grafeen te maken, werd niet volledig verwijderd tijdens de verwerking.

"Wij geloven dat deze besmetting de kern vormt van veel schijnbaar inconsistente rapporten over de eigenschappen van grafeen en misschien vele andere atomair dunne tweedimensionale (2-D) materialen, ' zei Esrafilzadeh.

"Grafeen werd aangekondigd als transformerend, maar heeft tot dusver geen significante commerciële impact gehad, net als enkele vergelijkbare 2D-nanomaterialen. Nu weten we waarom het niet heeft gepresteerd zoals beloofd, en wat er moet gebeuren om het volledige potentieel te benutten."

De tests identificeerden niet alleen deze onzuiverheden, maar toonden ook de grote invloed aan die ze hebben op de prestaties, met verontreinigd materiaal dat tot 50% slechter presteert wanneer getest als elektroden.

"Dit niveau van inconsistentie heeft mogelijk de opkomst van grote industriële toepassingen voor op grafeen gebaseerde systemen belemmerd, maar het verhindert ook de ontwikkeling van regelgevende kaders voor de implementatie van dergelijke gelaagde nanomaterialen, die voorbestemd zijn om de ruggengraat te worden van apparaten van de volgende generatie, " ze zei.

De tweedimensionale eigenschap van grafeenplaten, die slechts één atoom dik is, maakt het ideaal voor elektriciteitsopslag en nieuwe sensortechnologieën die afhankelijk zijn van een groot oppervlak.

Deze studie onthult hoe die 2D-eigenschap ook de achilleshiel van grafeen is, door het zo kwetsbaar te maken voor oppervlakteverontreiniging, en onderstreept hoe belangrijk grafiet van hoge zuiverheid is voor de productie van zuiverder grafeen.

Met puur grafeen, onderzoekers toonden aan hoe het materiaal buitengewoon goed presteerde bij het bouwen van een supercondensator, een soort superbatterij.

Wanneer getest, het vermogen van het apparaat om elektrische lading vast te houden was enorm. In feite, het was de grootste capaciteit tot nu toe geregistreerd voor grafeen en in het zicht van de voorspelde theoretische capaciteit van het materiaal.

In samenwerking met RMIT's Centre for Advanced Materials and Industrial Chemistry, het team gebruikte vervolgens puur grafeen om een ​​veelzijdige vochtigheidssensor te bouwen met de hoogste gevoeligheid en de laagste detectielimiet ooit gerapporteerd.

Deze bevindingen vormen een cruciale mijlpaal voor het volledige begrip van atomair dunne tweedimensionale materialen en hun succesvolle integratie in hoogwaardige commerciële apparaten.

"We hopen dat dit onderzoek zal helpen om het opwindende potentieel van deze materialen te ontsluiten."