Een nieuwe manier om grote vellen van hoogwaardige, atomair dun grafeen kan leiden tot ultralichtgewicht, flexibele zonnecellen, en op nieuwe klassen van lichtemitterende apparaten en andere dunnefilmelektronica.

Het nieuwe productieproces, die aan het MIT is ontwikkeld en relatief eenvoudig moet kunnen worden opgeschaald voor industriële productie, omvat een tussenliggende "buffer" materiaallaag die de sleutel is tot het succes van de techniek. De buffer zorgt ervoor dat het ultradunne grafeenvel, minder dan een nanometer (miljardste van een meter) dik, gemakkelijk van de ondergrond te tillen, waardoor een snelle roll-to-roll-productie mogelijk is.

Het proces wordt gedetailleerd beschreven in een paper dat gisteren werd gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen , door MIT-postdocs Giovanni Azzellino en Mahdi Tavakoli; professoren Jing Kong, Tomas Palacios, en Markus Bühler; en vijf anderen aan het MIT.

Een manier vinden om dun te worden, groot gebied, transparante elektroden die stabiel zijn in open lucht is de laatste jaren een grote zoektocht geweest in dunne film elektronica, voor een verscheidenheid aan toepassingen in opto-elektronische apparaten - dingen die ofwel licht uitstralen, zoals computer- en smartphoneschermen, of oogst het, zoals zonnecellen. De huidige standaard voor dergelijke toepassingen is indiumtinoxide (ITO), een materiaal gebaseerd op zeldzame en dure chemische elementen.

Veel onderzoeksgroepen hebben gewerkt aan het vinden van een vervanger voor ITO, gericht op zowel organische als anorganische kandidaatmaterialen. grafeen, een vorm van zuivere koolstof waarvan de atomen zijn gerangschikt in een vlakke zeshoekige reeks, heeft zeer goede elektrische en mechanische eigenschappen, maar het is verdwijnend dun, fysiek flexibel, en gemaakt van een overvloedige, goedkoop materiaal. Verder, het kan gemakkelijk worden gekweekt in de vorm van grote vellen door chemische dampafzetting (CVD), koper als zaadlaag gebruiken, zoals de groep van Kong heeft aangetoond. Echter, voor apparaattoepassingen, het lastigste deel was het vinden van manieren om het door CVD gegroeide grafeen vrij te maken van zijn oorspronkelijke kopersubstraat.

Deze uitgave, bekend als grafeenoverdrachtsproces, heeft de neiging om te resulteren in een web van tranen, rimpels, en gebreken in de lakens, die de continuïteit van de film verstoort en daardoor hun elektrische geleidbaarheid drastisch vermindert. Maar met de nieuwe technologie Azellino zegt, "nu zijn we in staat om op betrouwbare wijze grafeenplaten met een groot oppervlak te produceren, breng ze over op elk substraat dat we willen, en de manier waarop we ze overbrengen, heeft geen invloed op de elektrische en mechanische eigenschappen van het ongerepte grafeen."

De sleutel is de bufferlaag, gemaakt van een polymeer materiaal genaamd paryleen, dat op atomair niveau overeenkomt met de grafeenplaten waarop het wordt ingezet. zoals grafeen, paryleen wordt geproduceerd door CVD, wat het productieproces en de schaalbaarheid vereenvoudigt.

Als demonstratie van deze technologie, het team maakte proof-of-concept zonnecellen, het gebruik van een dunne-film polymeer zonnecelmateriaal, samen met de nieuw gevormde grafeenlaag voor een van de twee elektroden van de cel, en een paryleenlaag die ook dient als een apparaatsubstraat. Ze maten een optische transmissie van bijna 90 procent voor de grafeenfilm onder zichtbaar licht.

De prototype-op grafeen gebaseerde zonnecel verbetert met ongeveer 36 keer het geleverde vermogen per gewicht, vergeleken met op ITO gebaseerde state-of-the-art apparaten. Het gebruikt ook 1/200 van de hoeveelheid materiaal per oppervlakte-eenheid voor de transparante elektrode. En, er is nog een fundamenteel voordeel ten opzichte van ITO:"Grafeen wordt bijna gratis geleverd, ' Zegt Azellino.

"Ultra-lichtgewicht op grafeen gebaseerde apparaten kunnen de weg vrijmaken voor een nieuwe generatie toepassingen, "zegt hij. "Dus als je denkt aan draagbare apparaten, het vermogen per gewicht wordt een zeer belangrijk cijfer van verdienste. Wat als we een transparante zonnecel op uw tablet zouden kunnen plaatsen die de tablet zelf van stroom kan voorzien?" Hoewel enige verdere ontwikkeling nodig zou zijn, dergelijke toepassingen moeten uiteindelijk haalbaar zijn met deze nieuwe methode, hij zegt.

Het buffermateriaal, paryleen, wordt veel gebruikt in de micro-elektronica-industrie, meestal om elektronische apparaten in te kapselen en te beschermen. Dus de toeleveringsketens en apparatuur voor het gebruik van het materiaal zijn al wijdverbreid, zegt Azellino. Van de drie bestaande soorten paryleen, de tests van het team toonden aan dat een van hen, die meer chlooratomen bevat, was verreweg het meest effectief voor deze toepassing.

De atomaire nabijheid van chloorrijk paryleen tot het onderliggende grafeen wanneer de lagen aan elkaar worden gesandwiched, biedt een bijkomend voordeel, door een soort "doping" voor grafeen aan te bieden, eindelijk een betrouwbaardere en niet-destructieve benadering voor de verbetering van de geleidbaarheid van grafeen met een groot oppervlak, in tegenstelling tot vele andere die tot nu toe zijn getest en gerapporteerd.

"De grafeen- en de paryleenfilms zijn altijd face-to-face, "Azzellino zegt. "Dus eigenlijk, de dopingactie is er altijd, en daarom is het voordeel blijvend."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.