UWM-opdagelse fremmer grafen-baseret elektronik

(Phys.org) - Forskere og ingeniører ved University of Wisconsin-Milwaukee (UWM) har opdaget et helt nyt kulstofbaseret materiale, der er syntetiseret fra "vidunderbarnet" i kulstoffamilien, grafen. Opdagelsen, som forskerne kalder "grafenmonoxid (GMO), ” skubber kulstofmaterialer tættere på at indvarsle næste generations elektronik.

grafen, et et-atom-tykt lag kulstof, der ligner et fladt stykke hønsenet på nanoskala, har potentialet til at revolutionere elektronikken, fordi den leder elektricitet meget bedre end de guld- og kobbertråde, der bruges i nuværende enheder. Transistorer lavet af silicium nærmer sig den mindste størrelse, hvor de kan være effektive, hvilket betyder, at enhedernes hastighed snart vil bunde ud. Kulstofmaterialer på nanoskala kunne være midlet.

I øjeblikket, applikationer til grafen er begrænset, fordi det er for dyrt at masseproducere. Et andet problem er, at indtil nu, grafen-relaterede materialer eksisterede kun som ledere eller isolatorer.

"En stor drivkraft i grafenforskningssamfundet er at gøre materialet halvledende, så det kan bruges i elektroniske applikationer, ” siger Junhong Chen, professor i maskinteknik og medlem af forskergruppen. "Vores største bidrag i denne undersøgelse blev opnået gennem en kemisk modifikation af grafen."

GMO udviser egenskaber, der vil gøre det lettere at skalere op end grafen. Og, ligesom silicium i den nuværende generation af elektronik, GMO er halvledende, nødvendigt for at kontrollere den elektriske strøm i en så stærk leder som grafen. Nu alle tre egenskaber ved elektrisk ledningsevne - ledende, isolerende og halvledende - findes i kulstoffamilien, tilbyder nødvendig kompatibilitet til brug i fremtidig elektronik.

Blanding af teori og eksperimenter

Holdet skabte GMO, mens de forskede i adfærden af ​​et hybridt nanomateriale udviklet af Chen, der består af kulstof nanorør (i det væsentlige, grafen rullet ind i en cylinder) dekoreret med tinoxid-nanopartikler. Chen bruger sit hybridmateriale til at lave højtydende, energieffektive og billige sensorer.

For at afbilde hybridmaterialet, som det sansede, han og fysikprofessor Marija Gajdardziska brugte et højopløseligt transmissionselektronmikroskop (HRTEM). Men for at forklare, hvad der skete, parret havde brug for at vide, hvilke molekyler der var knyttet til nanorørets overflade, som var knyttet til tinoxidoverfladen, og hvordan de ændrede sig ved tilknytning.

Så parret henvendte sig til fysikprofessor Carol Hirschmugl, som for nylig var banebrydende for en metode til infrarød billeddannelse (IR), der ikke kun tilbyder billeder i høj opløsning af prøver, men gengiver også en kemisk "signatur", der identificerer, hvilke atomer der interagerer, når sansning finder sted.

Chen og Gajdardziska vidste, at de ville være nødt til at se på flere fastgørelsessteder, end der er tilgængelige på overfladen af ​​et kulstofnanorør. Så de "rullede" nanorøret ud til et ark grafen for at opnå et større område.

Det fik dem til at søge efter måder at lave grafen fra sin fætter, grafenoxid (GO), en isolator, der kan skaleres op billigt. GO består af lag af grafen stablet oven på hinanden i en ujusteret orientering. Det er genstand for megen forskning, da forskere leder efter billigere måder at replikere grafens overlegne egenskaber.

Forvirrende resultat

I et eksperiment, de opvarmede GO'en i et vakuum for at reducere ilt. I stedet for at blive ødelagt, imidlertid, kulstof- og oxygenatomerne i GO-lagene blev justeret, forvandler sig selv til de "ordnede, ” halvledende GMO – en kuloxid, der ikke findes i naturen.

Det var ikke det resultat, de forventede.

"Vi troede, at ilten ville forsvinde og efterlade flerlagsgrafen, så observationen af ​​noget andet end det var en overraskelse, " siger Eric Mattson, en doktorand hos Hirschmugl.

Ved forskellige høje temperaturer, holdet producerede faktisk fire nye materialer, som de tilsammen omtaler som GMO. De optog video af processen ved hjælp af Selected Area Electron Diffraction (SAED) i et transmissionselektronmikroskop.

Fordi GMO dannes i enkeltark, Gajdardziska siger, at materialet kan have anvendelser i produkter, der involverer overfladekatalyse. Hun, Hirschmugl og Chen undersøger også dets anvendelse i anodedelene af lithium-ion-batterier, hvilket kunne gøre dem mere effektive.

Møjsommelig proces

Men næste skridt er mere videnskab. Teamet skal finde ud af, hvad der udløste omorganiseringen af ​​materialet, og også hvilke forhold, der ville ødelægge GMO'ens dannelse.

"I reduktionsprocessen, du forventer at miste ilt, ” siger Michael Weinert, professor i fysik og direktør for UWMs Laboratorium for Overfladestudier. »Men vi fik faktisk mere iltindhold. Så vi er på et tidspunkt, hvor vi stadig lærer mere om det."

Weinert påpeger, at de kun har lavet GMO i lille skala i et laboratorium og ikke er sikre på, hvad de vil støde på ved opskalering.

Holdet skulle være forsigtigt med at beregne, hvordan elektroner flød gennem GMO, tilføjer han. Interaktioner, der opstår, skulle fortolkes gennem en omhyggelig proces med at spore indikatorer for struktur og derefter eliminere dem, der ikke passede.

"Det var en lang proces, " siger Weinert, "ikke et af de 'Eureka!'-øjeblikke."