En sti-indstillingsmetode til at muliggøre store applikationer for en grafen

Super stærk og kun ét atom tyk holder grafen lovende som et nanomateriale til alt fra mikroelektronik til ren energilagring. Men mangel på én ejendom har begrænset brugen af ​​den. Nu har forskere ved Princeton University og US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) overvundet dette problem ved at bruge lavtemperaturplasma og skabe en ny teknik, der åbner døren til en bred vifte af industrielle og videnskabelige applikationer til det lovende nanomateriale.

Stærkere end stål

Grafen, som er hårdere end diamanter og stærkere end stål, kunne være grundlaget for næste generations teknologier. Men fraværet af en egenskab kaldet et båndgab i blyant-blygrafitten, der sammensætter grafen, begrænser dens evne til at fungere som en halvleder, materialet i hjertet af mikroelektroniske enheder. Halvledere både isolerer og leder elektrisk strøm, men selvom grafen er en fremragende leder, kan det ikke fungere som en isolator uden et båndgab.

"Folk bruger silicium, der har et båndgab til halvledere," sagde Fang Zhao, hovedforfatter på et papir i tidsskriftet Carbon der beskriver den nye proces. "At åbne et betydeligt båndgab på grafen har givet anledning til intense undersøgelser til brug af halvledere," sagde Zhao, en fysiker ved Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), som skrev papiret, mens en Princeton post-doc forsker.

Dilemmaet har fået videnskabsmænd over hele verden til at udforske måder at producere et båndgab i grafen for at udvide dets potentielle anvendelser. En populær metode har været at kemisk modificere overfladen af ​​grafen med brint, en proces kaldet "hydrogenering". Men den konventionelle måde at gøre dette på frembringer irreversibel ætsning og sputtering, der kan alvorligt beskadige overfladen af ​​grafen – kendt som et 2D-materiale på grund af dets ultratynde natur – inden for sekunder eller minutter.

Forskere ved Princeton og PPPL har nu vist, at en ny metode til hydrogenering af grafen sikkert kan åbne døren til vidtgående mikroelektroniske applikationer. Metoden markerer en ny måde at producere brintplasma på, der væsentligt udvider brintdækningen i 2D-materialet. "Denne proces skaber meget længere brintbehandlinger på grund af dens lave grafenskade," sagde Zhao.

Plasma, den varme, ladede tilstand af stof, der består af frie elektroner og atomkerner, udgør 99 procent af det synlige univers. Det lavtemperatur-brintplasma, som PPPL har udviklet til at hydrogenere grafen, står i kontrast til de million-graders fusionsplasmaer, der længe har været kendetegnende for PPPL-forskning, som har til formål at udvikle sikker, ren og rigelig fusionsenergi til at generere elektricitet.

Spinoff fra Ptolemæus

Den nye metode stammer fra et eksperiment kaldet Ptolemy, et universitetsprojekt, som Princeton-fysiker Chris Tully har udviklet med bistand fra Zhao. Dette projekt bruger nedbrydningen af ​​tritium, den radioaktive isotop af brint, i bestræbelserne på at fange relikvietrinoer, der dukkede op kun få sekunder efter Big Bang, der skabte universet. Sådanne relikvier kunne kaste nyt lys over Big Bang, ifølge Ptolemæus-projektet.

For at forbedre detektionshastigheden af ​​henfaldet henvendte Tully sig til PPPL-fysiker Yevgeny Raitses, som leder lavtemperatur-plasmaforskning ved PPPL. "PPPLs parathed til at forene kræfterne og skabe transformationelle 2D-materialeegenskaber er inspirerende," sagde Tully. "At bryde verdensrekorden i grafenhydrogeneringsudbytte er en hyldest til PPPL's ​​unikke muligheder."

Raitses og kolleger udviklede en metode til at udvide dækningen af ​​brint i den grafen, der huser tritium-henfaldet. Processen øger i høj grad fremtidige anvendelser af grafen. "Denne spinoff fra Ptolemæus kan nu bruges til mikroelektronik, QIS [kvanteinformationsvidenskab] og andre applikationer," sagde Raitses. "Metoden kan også anvendes på andre 2D-materialer."

Spinoffen kombinerer elektriske og magnetiske felter for at producere et brintplasma, der leverer rigeligt brint med lav skade på grafenet. Denne blide og velkontrollerede metode er i sig selv et spinoff fra forskning, som Raitses udviklede, mens han studerede Hall-thrustere, plasma-baserede motorer til rumfartøjsfremdrift. Teknikken har hydrogeneret grafen i op til 30 minutter i PPPL-eksperimenter, hvilket i høj grad øger brintdækningen og åbner et båndgab, der gør grafen til halvledermateriale.

Alt dette, siger Carbon papir, skaber en attraktiv metode til at gøre 2D-materialer "spændende og kommende [kilder] til store applikationer."

Princeton-fysikere Chris Tully og Andi Tan samarbejdede også om dette papir sammen med kemiker Xiaofang Yang fra Princeton Department of Chemical and Biological Engineering. Støtte til dette arbejde kommer fra DOE Office of Science (FES) og Air Force Office of Scientific Research. + Udforsk yderligere

Opdagelse af 10 faser af plasma fører til ny indsigt i fusions- og plasmavidenskab