Fysikere udvikler skalerbar metode til fremstilling af grafen

(PhysOrg.com) - Ny forskning fra University of Pennsylvania viser en mere konsekvent og omkostningseffektiv metode til fremstilling af grafen, det atomare materiale, der har lovende anvendelser inden for en række forskellige områder, og var genstand for 2010 Nobelprisen i fysik.

Som forklaret i en nyligt offentliggjort undersøgelse, et forskerhold fra Penn var i stand til at skabe grafen af ​​høj kvalitet, der kun er et enkelt atom tykt over 95 % af dets areal, ved hjælp af let tilgængelige materialer og fremstillingsprocesser, der kan skaleres op til industrielt niveau.

"Jeg er opmærksom på rapporter om omkring 90%, så denne forskning skubber det tættere på det endelige mål, hvilket er 100%, " sagde undersøgelsens hovedforsker, PÅ. Charlie Johnson, professor i fysik. "Vi har en vision om en fuldt industriel proces."

Andre teammedlemmer på projektet omfattede postdoc-stipendiater Zhengtang Luo og Brett Goldsmith, kandidatstuderende Ye Lu og Luke Somers og bachelorstuderende Daniel Singer og Matthew Berck, hele Penns Institut for Fysik og Astronomi i School of Arts and Sciences.

Gruppens resultater blev offentliggjort den 10. februar i tidsskriftet Kemi af materialer .

Grafen er et kyllingetrådslignende gitter af kulstofatomer arrangeret i tynde plader med et enkelt atomlag tykt. Dets unikke fysiske egenskaber, inklusive uovertruffen elektrisk ledningsevne, kan føre til store fremskridt inden for solenergi, energilagring, computerhukommelse og en lang række andre teknologier. Men komplicerede fremstillingsprocesser og ofte uforudsigelige resultater hæmmer i øjeblikket grafens udbredte vedtagelse.

Fremstilling af grafen i industriel skala hæmmes ikke af naturressourcernes høje omkostninger eller sjældenhed - en lille mængde grafen fremstilles sandsynligvis hver gang en blyant bruges - men snarere evnen til at lave meningsfulde mængder med konsekvent tyndhed.

En af de mere lovende fremstillingsteknikker er CVD, eller kemisk dampaflejring, som går ud på at blæse metan over tynde metalplader. Kulstofatomerne i metan danner en tynd film af grafen på metalpladerne, men processen skal udføres i et næsten vakuum for at forhindre flere lag kulstof i at samle sig til ubrugelige klumper.

Penn-teamets forskning viser, at enkeltlagstyk grafen pålideligt kan produceres ved normalt tryk, hvis metalpladerne er glatte nok.

"Det faktum, at dette sker ved atmosfærisk tryk, gør det muligt at producere grafen til en lavere pris og på en mere fleksibel måde, "Luo, undersøgelsens hovedforfatter, sagde.

Mens andre metoder involverede omhyggelig fremstilling af brugerdefinerede kobberplader i en omkostningsfuld proces, Johnsons gruppe brugte kommercielt tilgængelig kobberfolie i deres eksperiment.

"Du kan næsten købe det i byggemarkedet, " sagde Johnson.

Andre metoder gør dyre tilpassede kobberplader i et forsøg på at få dem så glatte som muligt; fejl i overfladen får grafen til at akkumulere på uforudsigelige måder. I stedet, Johnsons gruppe "elektropolerede" deres kobberfolie, en almindelig industriel teknik, der bruges til efterbehandling af sølvtøj og kirurgiske værktøjer. Den polerede folie var glat nok til at producere enkeltlagsgrafen over 95% af dets overfladeareal.

Arbejde med kommercielt tilgængelige materialer og kemiske processer, der allerede er meget udbredt i fremstillingen, kan sænke barren for kommercielle anvendelser.

"Det overordnede produktionssystem er enklere, billigere, og mere fleksibel ”sagde Luo.

Den vigtigste forenkling kan være evnen til at skabe grafen ved omgivende tryk, da det ville tage nogle potentielt dyre skridt ud af fremtidige grafen-samlebånd.

"Hvis du skal arbejde i højvakuum, du skal bekymre dig om at få den ind og ud af et vakuumkammer uden at have en lækage, " sagde Johnson. "Hvis du arbejder ved atmosfærisk tryk, du kan forestille dig at elektropolere kobberet, deponere grafen på det og derefter flytte det langs et transportbånd til en anden proces på fabrikken. ”