De afschilfering van grafiet in grafeenlagen inspireerde het onderzoek van duizenden gelaagde materialen:waaronder overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's). Deze halfgeleiders kunnen worden gebruikt om geleidende inkten te maken om gedrukte elektronische en opto-elektronische apparaten te vervaardigen. Echter, gebreken in hun structuur kunnen hun prestaties belemmeren. Nutsvoorzieningen, Graphene Flagship-onderzoekers hebben deze hindernissen overwonnen door 'moleculaire bruggen, ' kleine moleculen die de TMD-vlokken met elkaar verbinden, waardoor de geleidbaarheid en de algehele prestaties worden verbeterd.

De resultaten, gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie, komen uit een multidisciplinaire samenwerking tussen Graphene Flagship-partners de Universiteit van Straatsburg en CNRS, Frankrijk, AMBER en Trinity College Dublin, Ierland, en Cambridge Graphene Centre, Universiteit van Cambridge, VK. De gebruikte moleculaire bruggen verhogen de mobiliteit van de drager - een fysieke parameter die verband houdt met de elektrische geleidbaarheid - tienvoudig.

TMD-inkten worden op veel gebieden gebruikt, van elektronica en sensoren tot katalyse en biogeneeskunde. Ze worden meestal vervaardigd met behulp van exfoliatie in de vloeibare fase, een techniek ontwikkeld door het Graphene Flagship die de massaproductie van grafeen en gelaagde materialen mogelijk maakt. Maar, hoewel deze technologie grote hoeveelheden product oplevert, het heeft enkele beperkingen. Het exfoliatieproces kan defecten veroorzaken die de prestaties van het gelaagde materiaal beïnvloeden, vooral als het gaat om het geleiden van elektriciteit.

Geïnspireerd door organische elektronica - het veld achter succesvolle technologieën zoals organische lichtemitterende diodes (OLED's) en goedkope zonnecellen - vond het Graphene Flagship-team een ​​oplossing:moleculaire bruggen. Met deze chemische structuren de onderzoekers slaagden erin twee vliegen in één klap te slaan. Eerst, ze verbonden TMD-vlokken met elkaar, het creëren van een netwerk dat het ladingstransport en de geleidbaarheid vergemakkelijkt. De moleculaire bruggen verdubbelen als muren, het genezen van de chemische defecten aan de randen van de vlokken en het elimineren van elektrische vacatures die anders energieverlies zouden bevorderen.

Verder, moleculaire bruggen bieden onderzoekers een nieuw hulpmiddel om de geleidbaarheid van TMD-inkten op aanvraag aan te passen. Als de brug een geconjugeerd molecuul is - een structuur met dubbele bindingen of aromatische ringen - is de mobiliteit van de drager hoger dan bij gebruik van verzadigde moleculen, zoals koolwaterstoffen. "De structuur van de moleculaire brug speelt een sleutelrol, " legt Paolo Samorì uit, van Graphene Flagship-partner van de Universiteit van Straatsburg, Frankrijk, die de studie leidde. "We gebruiken moleculen die dithiolen worden genoemd, die u gemakkelijk kunt kopen uit de catalogus van elke chemische leverancier, " voegt hij eraan toe. Hun beschikbare structurele diversiteit opent een wereld van mogelijkheden om de geleidbaarheid, aanpassen aan elke specifieke toepassing. "Moleculaire bruggen zullen ons helpen veel nieuwe functies te integreren in op TMD gebaseerde apparaten, " vervolgt Samorì. "Deze inkten kunnen op elk oppervlak worden afgedrukt, zoals kunststof, stof of papier, waardoor een hele reeks nieuwe circuits en sensoren voor flexibele elektronica en wearables mogelijk worden."

Maria Smolander, Graphene vlaggenschip werkpakketleider voor flexibele elektronica, voegt toe:"Dit werk is van groot belang als cruciale stap naar de volledige benutting van oplossingsgebaseerde fabricagemethoden zoals printen in flexibele elektronica. Het gebruik van de covalent gebonden bruggen verbetert zowel de structurele als elektrische eigenschappen van de dunne lagen op basis van TMD vlokken."

Andrea C. Ferrari, Science and Technology Officer van het Graphene Flagship en voorzitter van het managementpanel, voegt toe:"Het Graphene Flagship pionierde zowel met exfoliëren in de vloeibare fase als met inkjetprinten van grafeen en gelaagde materialen. Deze technieken kunnen grote hoeveelheden materialen produceren en verwerken. Dit papier is een belangrijke stap om halfgeleidende gelaagde materialen beschikbaar te maken voor gedrukte, flexibele en draagbare elektronica, en duwt opnieuw de stand van de techniek naar voren."