Golden touch gør produktion af grafen ved lav temperatur til en realitet

(PhysOrg.com) -- En metode, der mere end halverer den temperatur, ved hvilken grafen af ​​høj kvalitet kan fremstilles, er blevet udviklet af forskere.

Teknikken åbner op for nye muligheder for brug af grafen, som i vid udstrækning betragtes som et potentielt "vidunderstof" for det 21. århundrede.

Forskerne fra University of Cambridges Department of Engineering tilføjede en meget lille mængde guld til overfladen af ​​en nikkelfilm, hvorpå grafenen så blev dyrket. Den resulterende legering betød, at de var i stand til at dyrke grafen ved 450ºC i modsætning til 1, 000ºC, der normalt kræves.

Holdet, som blev ledet af Robert Weatherup og Bernhard Bayer i instituttets Hofmann-forskningsgruppe, var også i stand til at finde ud af mere om, hvordan grafen dannes under denne proces.

"Først da vi havde udviklet et detaljeret billede af, hvordan grafenen voksede, var vi i stand til at begynde at tune denne vækst og rationelt konstruere katalysatoren - nikkelen - for at forbedre den, ” sagde Weatherup. "At forstå dette er interessant fra et videnskabeligt synspunkt, men at bruge denne viden til at forbedre vækstprocessen har været det virkelig nyttige resultat af vores arbejde.”

Grafen er et mikroskopisk tyndt stof - i det væsentlige kun eksisterer i to dimensioner. Den består af en enkelt, atomtyk plade af kulstofatomer, arrangeret i et sekskantet gitter.

Det, der gør det spændende for videnskabsmænd, er dets bemærkelsesværdige række af egenskaber. Grafen er meget stærkt, gennemsigtig og meget ledende. Det betyder, at den kan bruges til en lang række applikationer, herunder fleksibel elektronik, der kan bæres af brugeren, hurtigt bredbånd, højtydende databehandling og letvægtskomponenter til fly og andre maskiner.

For at nogen af ​​disse muligheder kan realiseres, en pålidelig metode til fremstilling af grafen af ​​høj kvalitet er nødvendig. Den bedste mulighed til dato har involveret forskere, der bruger kemisk dampaflejring. I denne proces, en katalysatorfilm – i nogle tilfælde nikkel, i andre kobber – udsættes for en kulstofholdig gas ved meget høje temperaturer. Grafen samles derefter på overfladen af ​​filmen.

Indtil nu, temperaturer omkring 1, 000ºC var nødvendig for at grafen kunne dannes. Dette udgør et problem, fordi de høje væksttemperaturer ville skade mange af de materialer, der bruges i almindelig fremstilling af elektronik, alvorligt, hvilket betyder, at grafenen ikke kan integreres direkte i de kredsløb, der så ville blive brugt i elektroniske produkter.

Weatherup og Bayers brug af nikkelfilm med en lille mængde guld (mindre end 1%) åbner op for denne mulighed ved at reducere væksttemperaturen til 450º. Legeringen reducerer også antallet af steder, hvor grafen vokser på filmen, fordi guldet blokerer for vækst af grafen.

Det betyder, at hver grafenflage vokser sig større og længere, før den går sammen med en anden flage. Fordi elektroner, der bevæger sig gennem grafen, derfor ikke forstyrres af sammenføjninger mellem flager så ofte, grafenens ledningsevne forbedres. Resultatet er grafen, der kan fremstilles ved en drastisk reduceret temperatur, men er stadig af den meget høje kvalitet, der ville være nødvendig for fremtidige applikationer.

Specialteknikker blev også brugt under processen for at "fornemme" det atomtykke lag af grafen, mens det voksede. Forskerne var i stand til definitivt at vise, at grafenvækst ikke kun sker, når stoffet afkøles (som nogle akademikere tidligere havde troet), og at dens vækst ikke kun påvirkes af overfladen af ​​katalysatorfilmen, men ved et område af filmen nedenunder.

Forskere forudser i vid udstrækning, at det kun er et spørgsmål om tid, før grafen flytter fra den videnskabelige forskning og ind i industrien. For nu, imidlertid, kommerciel udvikling er stadig et stykke vej.

"Vi vil ideelt set gerne producere grafen direkte på et isolerende underlag, da legeringen på nuværende tidspunkt skal fjernes efter vækst for at grafen kan bruges i applikationer, ” sagde Weatherup. "Problemet er, at isolatorer har en tendens til at være mindre gode til at omdanne kulstofholdige gasser til grafen af ​​høj kvalitet."

"Graphene vækst er stadig et meget ungt område, men det går utrolig hurtigt. Ved hjælp af legering af katalysatoren, som vi har her, er en helt ny tilgang til at forbedre processen, og vi forventer, at yderligere undersøgelse af dette sandsynligvis vil føre til forbedret grafenproduktion, og måske ved endnu lavere temperaturer."

Resultaterne rapporteres i det nye nummer af det akademiske tidsskrift, Nano bogstaver .