Bedre, hurtigere, enklere:Afsætning af grafen direkte på fleksible underlag

(Phys.org) —Den vidunderkind materiale grafen er et et-atom tykt lag af grafit (en anden krystallinsk form for kulstof), hvor kulstofatomer er arrangeret i et regulært sekskantet mønster. At være meget stærk, lys, næsten gennemsigtig, og en fremragende leder af varme og elektricitet, finder nye anvendelser i en svimlende hastighed. Dette er ikke overraskende, i betragtning af, at dens utallige karakteristika omfatter dens elektroniske, optisk, excitonisk, termisk, spin transport, unormal kvante Hall effekt, mekanisk, og andre unikke egenskaber. Selvom en af ​​grafens attraktive mekaniske egenskaber er dens fleksibilitet, det meste af forskningen i disse egenskaber er blevet udført på stive substrater som siliciumdioxid eller kvarts. Et stift substrat er velegnet til transistorer eller fotoelektriske enheder, men påføring af grafen på fleksible underlag har adskillige anvendelser, såsom organisk elektronik (bruges i solceller, lysemitterende dioder, touch screen teknologi, fotodetektorer, og molekylære separationsmembraner), fotonik, og optoelektronik. I øjeblikket, der er lidt rapporteret aktivitet i at overføre grafen til fleksible underlag, og disse bruger typisk polymethylmethacrylat (PMMA) som en mellemmembran – ulempen er, at membranen skal fjernes efter overførslen. For nylig, imidlertid, forskere ved MIT, University of Alabama og Universidade Federal de Minas Gerais udtænkte en enkel, PMMA-fri, direkte lamineringsteknik til overførsel af grafen til forskellige fleksible underlag. Mens deres direkte overførselsmetode ikke virker på hydrofile substrater som papir eller klud, den nye teknik kan også fungere med succes i disse værker ved at bruge PMMA som overflademodifikator eller klæbemiddel - en egenskab, som de siger vil skabe muligheder for allestedsnærværende eller bærbar elektronik.

Prof. Paulo T. Araujo og prof. Jing Kong diskuterede den forskning, som deres studerende, Luiz Gustavo Pimenta og Yi Song, og kolleger foretaget i et interview med Phys.org. "Konceptet bag lamineringsteknikken er enkelt og, som man kan se i vores papirs referencer, vi var ikke de første til at anvende det, " fortæller Araujo til Phys.org. "Men, vi var de første til at anvende det på en meget ren måde – dvs. uden hjælp fra mellemmembraner såsom PMMA, eller lim såsom termisk tape." De største udfordringer, de stødte på, han bemærker, optimerede parametre som lamineringsmaskinens temperatur, og fremstilling af den passende lagdelte sammensætning af målsubstraterne, grafen, kobberfolie, og beskyttende pellikler. "Desuden " tilføjer Araujo, "vi havde brug for at forstå forskelle og ligheder mellem de substrater, vi brugte. F.eks. et meget porøst substrat kræver en anden overførselsstrategi, som er meget glat."

Araujo bemærker, at den nye overførselsmetode specifikt står i kontrast til tidligere metoder med hensyn til hastighed og enkelhed. "Kort sagt, den mest anvendte overførselsmetode består i at spincoating PMMA over en bødkerfolie med grafen dyrket på. Efter det, cooper/graphene/PMMA sættet efterlades i en cooper ætsemiddel i 30 minutter, som eliminerer bødkeren, efterlader kun grafen/PMMA overlever. Næste, vi skyller grafen/PMMA-sættet med DI-vand og afslutter det med målsubstratet. Endelig, acetone eller annealing bruges til at slippe af med PMMA. Hele processen tager cirka 1-1,5 time." Den nye direkte overførselsmetode eliminerer de fleste af ovenstående trin, undtagen dem, der involverer bødkerætsemidlet og rengøring med DI-vand. "Derfor, " tilføjer han, "Jeg vil sige, at direkte overførsel sparer cirka en halv time."

Araujo påpeger, at en nøglefaktor var at identificere de vigtige faktorer, der er nødvendige for en vellykket overførsel til bare underlag. "Det første skridt var at identificere forskelle og ligheder mellem de substrater, vi brugte, eller som kunne bruges, i vores forskning – nemlig hvis porøs/ikke-porøs, hydrofob/hydrofil, blød/hård, opførsel af undertemperaturvariationer, og så videre. Derefter, gennem en omhyggelig og metodisk plan, vi var nødt til at udelukke de forskelle/ligheder, som ikke spillede nogen rolle i overførslen." Dette trin var særligt besværligt, Araujo siger, fordi det involverede flere direkte overførselseksperimenter udført under ekstremt varierede forhold. Som et resultat af denne indsats, forskerne konkluderede, at de vigtigste målsubstratfaktorer var dens hydrofobicitet og kontaktområde med grafen/kobbersættet.

Hvad angår substrater, der ikke er egnede til direkte overførsel, holdet fastslog også, at PMMA kan bruges enten som en overflademodifikator eller som en lim for at sikre en vellykket grafenoverførsel. "Først, vi havde brug for at se, om vores hydrofobicitet forudsigelse var korrekt - og PMMA var et meget bekvemt valg, da det er hydrofobt, Araujo forklarer, "og. hydrofobe substrater fungerede meget godt til overførslen. Vi spurgte derfor, om vi kunne vende et hydrofilt substrat, med hvilken overførslen tidligere var mislykket, til et, der er hydrofobt substrat." Svaret var ja - og vi kan bruge PMMA, da den er blød (hvilket betyder, at den potentielt kan opnå den nødvendige glastemperaturovergang) og hydrofob. "Imidlertid, " tilføjer han, "Dette førte os til et andet spørgsmål:Hvis vi spincoater PMMA over det hydrofile substrat, vil overførslen virke?" Test viste, at det gjorde, muliggør overførsel af grafen til tøj og papir.

Med hensyn til holdets demonstration af, at flerlag gør det muligt at placere ledende plader med stort område på de fleste underlag, de studerede, Kong erkender, at dette trin var ligetil ud fra et synspunkt om direkte overførsel. "Da grafen er hydrofob, og forudsat at den første overførsel var vellykket, vi kunne udføre flere overførsler med succes, " påpeger han. "Den sværeste del var at fange scanningselektronmikroskopbilleder af flere grafener over de fleksible substrater. At være isolatorer, substraterne bliver meget let elektrisk ladede, hvilket forhindrede os i at se substratet/grafensættet. Også, måling af arkmodstand var vanskelig, da de skrøbelige substrater meget ofte beskadiges af proberne."

Ved at tackle disse udfordringer, Araujo siger, at den vigtigste indsigt kom fra at tænke på de kritiske faktorer i samspillet mellem grafen og PMMA/termiske bånd. "Den store innovation var bestemt at vise, at for de fleste kommercielle substrater, vi behøver ikke bruge nogen mellemmembran til at overføre grafen til de fleksible substrater. Fraværet af de mellemliggende membraner giver en ren overførsel, som i høj grad forbedrer kvaliteten af ​​det overførte materiale. Endelig, i mit synspunkt, det er fantastisk at vise, at vi kan overføre grafen til tøj eller papir ved at behandle med en PMMA-membran, som tilbyder det miljø, der er nødvendigt for at få overførslen til at fungere – en metode kan let beskrives som en ny teknik til at overføre grafen til denne klasse af substrater. "

I den nærmeste fremtid, Kong siger, at der vil være et stort behov for alternative måder at høste energi på. "I denne sammenhæng, " forklarer hun, "evnen til tilstrækkeligt at syntetisere og manipulere og overføre relevante materialer fra vækststationen til målplatformene er et stort problem, da disse trin vil bestemme kvaliteten af ​​det endelige produkt. Væksten af ​​grafen er allerede temmelig avanceret – og det, vi tilbyder med denne forskning, er en simpel opskrift på at lave flere overførsler af materialer, samtidig med at man undgår forurenende stoffer medbragt med standard 'lim-baserede' procedurer."

Araujo ser dette fremskridt føre til en ny æra med fleksible berøringsskærme af høj kvalitet, fleksible lysemitterende dioder, fleksible sensorer, gasfiltre og solceller. Desuden, han bemærker, at med den voksende interesse for nye lagdelte materialer - f.eks. bornitrid, overgangsmetal dichalcogenider, og oxider – det bliver muligt at fremstille heterostrukturer ved at interkalere forskellige materialer. "De forskellige måder, hvorpå man interkalerer de lagdelte materialer, giver en helt ny klasse af applikationer, der involverer elektronik, spintronics, superledning og optoelektronik, " Araujo siger, tilføjer, at den restfrie overførselsprocedure også kan repræsentere et fremskridt til opbygning af heterostrukturer af høj kvalitet.

"Med hensyn til de planlagte næste skridt i vores forskning, "Kong fortsætter, "Udvidelsen af ​​vores metodologi bør testes med andre lagdelte materialer som f.eks. inklusive bornitrid, overgangsmetal dichalcogenider og oxider af de ovenfor nævnte såvel som andre substrater. En mere grundig undersøgelse af temperaturerne, der bestemmer varm/kold overførsel, bør også udføres. "

En anden udfordring Araujo nævner er den strukturelle kvalitet af det overførte materiale. "Selvom vi har demonstreret konceptet for restfri overførsel og behandlet årsagerne til en vellykket overførsel, kontinuiteten af ​​den overførte film er stadig ikke på state-of-the-art. Manglen på kontinuitet er velkommen til nogle applikationer, såsom filtre – men det er uønsket i produktionen af, for eksempel, højkvalitets berøringsskærmenheder. Også, " konkluderer han, " Udvidelsen af ​​denne teknik til at udføre denne restfri overførsel til stive substrater er stadig en udfordring - og det er værd at huske på, at selvom fleksible enheders teknologiske tiltrækningskraft er høj, mange applikationer, der involverer, for eksempel, logiske kredsløb, er stadig stærkt forbundet med stive underlag."

© 2013 Phys.org. Alle rettigheder forbeholdes.