Lag på lag:Metoden lover at lave to- eller trelags grafenfilm

grafen, en form for rent kulstof arrangeret i et gitter kun et atom tykt, har interesseret utallige forskere med sin unikke styrke og sin elektriske og termiske ledningsevne. Men en nøgleegenskab, den mangler - hvilket ville gøre den velegnet til et væld af nye anvendelser - er evnen til at danne et båndgab, nødvendig for enheder som transistorer, computerchips og solceller.

Nu, et hold af MIT-forskere har fundet en måde at producere grafen i betydelige mængder i en to- eller trelagsform. Når lagene er arrangeret helt rigtigt, disse strukturer giver grafen det meget ønskede båndgab - et energiområde, der falder mellem båndene, eller energiniveauer, hvor elektroner kan eksistere i et givet materiale.

"Det er et gennembrud inden for grafenteknologi, ” siger Michael Strano, Charles og Hilda Roddey lektor i kemiteknik ved MIT. Det nye arbejde er beskrevet i et papir offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Natur nanoteknologi , medforfatter af kandidatstuderende Chih-Jen Shih, Professor i kemiteknik Daniel Blankschtein, Strano og 10 andre studerende og postdocs.

Grafen blev først bevist at eksistere i 2004 (en bedrift, der førte til 2010 Nobelprisen i fysik), men det har været en udfordring at lave det i mængder, der er store nok til alt andet end små laboratorieforskning. Standardmetoden forbliver ved at bruge klæbende tape til at opsamle små flager af grafen fra en blok af højrenset grafit (materialet af blyantbly) - en teknik, der ikke egner sig til produktion i kommerciel skala.

Den nye metode, imidlertid, kan udføres i en skala, der åbner mulighed for reelle, praktiske anvendelser, Strano siger, og gør det muligt at producere det præcise arrangement af lagene - kaldet A-B stablet, med atomerne i det ene lag centreret over mellemrummene mellem atomerne i det næste - hvilket giver ønskelige elektroniske egenskaber.

"Hvis du vil have en hel masse dobbeltlag, der er A-B stablet, dette er den eneste måde at gøre det på, ” siger han.

Tricket udnytter en teknik, der oprindeligt blev udviklet så langt tilbage som i 1950'erne og 60'erne af MIT Institute Professor Mildred Dresselhaus, Blandt andet:Forbindelser af brom eller klor, der indføres i en grafitblok, finder naturligt vej ind i materialets struktur, indsætter sig regelmæssigt mellem hvert andet lag, eller i nogle tilfælde hvert tredje lag, og skubbe lagene lidt længere fra hinanden i processen. Strano og hans team fandt ud af, at når grafitten er opløst, det skiller sig naturligt fra hinanden, hvor de tilføjede atomer ligger, danner grafenflager to eller tre lags tykke.

"Fordi denne spredningsproces kan være meget skånsom, vi ender med meget større flager" end nogen har lavet ved hjælp af andre metoder, siger Strano. "Graphene er et meget skrøbeligt materiale, så det kræver skånsom behandling.”

Sådanne formationer er "en af ​​de mest lovende kandidater til post-silicium nanoelektronik, ” siger forfatterne i deres papir. Flagerne fremstillet ved denne metode, så stor som 50 kvadratmikrometer i areal, er store nok til at være nyttige til elektroniske applikationer, de siger. For at bevise pointen, de var i stand til at fremstille nogle simple transistorer på materialet.

Materialet kan nu bruges til at udforske udviklingen af ​​nye slags elektroniske og optoelektroniske enheder, siger Strano. Og i modsætning til "Scotch tape"-tilgangen til fremstilling af grafen, "Vores tilgang er industrielt relevant, " siger Strano.

James Tour, en professor i kemi og i maskinteknik og materialevidenskab ved Rice University, som ikke var involveret i denne forskning, siger, at arbejdet involverede "strålende eksperimenter", der producerede overbevisende statistikker. Han tilføjede, at der ville være behov for yderligere arbejde for at forbedre udbyttet af brugbart grafenmateriale i deres løsninger, nu på omkring 35 til 40 procent, til mere end 90 pct. Men når det først er opnået, han siger, "Denne løsningsfasemetode kunne dramatisk sænke prisen på disse unikke materialer og fremskynde kommercialiseringen af ​​dem i applikationer som optisk elektronik og ledende kompositter."

While it’s hard to predict how long it will take to develop this method to the point of commercial applications, Strano says, “it’s coming about at a breakneck pace.” A similar solvent-based method for making single-layer graphene is already being used to manufacture some flat-screen television sets, and “this is definitely a big step” toward making bilayer or trilayer devices, han siger.

The work was supported by grants from the U.S. Office of Naval Research through a multi-university initiative that includes Harvard University and Boston University along with MIT, as well as from the Dupont/MIT Alliance, a David H. Koch fellowship, and the Army Research Office through the Institute for Soldier Nanotechnologies at MIT.