Forskere udvikler en ny måde at oxidere grafen på:Et skridt mod bedre elektronik

Forskere ved Northwestern University har udviklet en ny metode til kemisk at ændre grafen, en udvikling, der kunne være et skridt mod skabelsen af ​​hurtigere, tyndere, fleksibel elektronik.

Meget ønsket for sine mange lovende egenskaber, grafen er et atom tykt, honeycomb-formet gitter af kulstofatomer med enestående styrke og ledningsevne. Blandt grafens mange mulige anvendelser er elektronik:Mange eksperter mener, at det kan konkurrere med silicium, transformere integrerede kredsløb og føre til ultrahurtige computere, mobiltelefoner og relaterede bærbare elektroniske enheder.

Men først, forskere skal lære at tune grafens elektroniske egenskaber - ikke en let bedrift, givet en stor udfordring iboende til materialet. I modsætning til halvledere som silicium, ren grafen er et materiale med nul båndgab, gør det vanskeligt at elektrisk "slukke" for strømmen gennem den. Derfor, uberørt grafen er ikke passende til det digitale kredsløb, der omfatter langt de fleste integrerede kredsløb.

For at overvinde dette problem og gøre grafen mere funktionel, forskere verden over undersøger metoder til kemisk at ændre materialet. Den mest udbredte strategi er "Hummers-metoden, "en proces udviklet i 1940'erne, der oxiderer grafen, men den metode er afhængig af barske syrer, der irreversibelt beskadiger grafengitterets stof.

Forskere ved Northwestern's McCormick School of Engineering and Applied Science har for nylig udviklet en ny metode til at oxidere grafen uden den sideløbende skade, man støder på i Hummers-metoden. Deres oxidationsproces er også reversibel, som muliggør yderligere afstemning over de resulterende egenskaber af deres kemisk modificerede grafen.

Papiret, "Kemisk homogen og termisk reversibel oxidation af epitaksial grafen, " vil blive offentliggjort 19. februar i tidsskriftet Naturkemi .

"At udføre kemiske reaktioner på grafen er meget vanskeligt, " sagde Mark C. Hersam, professor i materialevidenskab og teknik ved McCormick School. "Typisk, forskere anvender aggressive sure forhold, såsom dem, der anvendes i Hummers-metoden, som beskadiger gitteret og resulterer i et materiale, der er svært at kontrollere.

"I vores metode, imidlertid, det resulterende grafenoxid er kemisk homogent og reversibelt - hvilket fører til velkontrollerede egenskaber, der sandsynligvis kan udnyttes i højtydende applikationer, sagde Hersam, som også er professor i kemi og medicin.

For at skabe grafenoxidet, forskere lækkede iltgas (O2) ind i et ultrahøjt vakuumkammer. Inde, en varm wolframfilament blev opvarmet til 1500 grader Celsius, får iltmolekylerne til at dissociere til atomær oxygen. De meget reaktive oxygenatomer indsættes derefter ensartet i grafengitteret.

Det resulterende materiale har en høj grad af kemisk homogenitet. Spektroskopiske målinger viser, at grafenens elektroniske egenskaber varierer som funktion af iltdækningen, tyder på, at denne tilgang kan tune egenskaberne af grafen-baserede enheder. "Det er uklart, om dette arbejde vil påvirke applikationer i den virkelige verden fra den ene dag til den anden, " sagde Hersam. "Men det ser ud til at være et skridt i den rigtige retning."

Næste, forskere vil udforske andre måder at kemisk modificere grafen for at udvikle et bredere udvalg af materialer, meget ligesom videnskabsmænd gjorde for plastik i det sidste århundrede.

"Måske er ilt ikke nok, " sagde Hersam. "Gennem kemisk modifikation, det videnskabelige samfund har udviklet en bred vifte af polymerer, fra hård plast til nylon. Vi håber at realisere den samme grad af tunability for grafen."