Hybrid nanorør-grafenmateriale lover at forenkle fremstillingen

(Phys.org) — Carbon nanorør er forstærkningsstænger, der gør todimensionel grafen meget lettere at håndtere i et nyt hybridmateriale dyrket af forskere ved Rice University.

Kemikeren James Tours Rice lab satte nanorør i grafen på en måde, der ikke kun efterligner, hvordan armeringsjern bruges i beton, men også bevarer og endda forbedrer de elektriske og mekaniske kvaliteter af begge.

Teknikken skal gøre store, fleksibel, ledende og gennemsigtige ark af grafen er meget nemmere at manipulere, som burde være af interesse for elektronikproducenter, sagde Tour. Han foreslog, at den nye hybrid kunne ved stabling i et par lag, være en omkostningseffektiv erstatning for dyrt indiumtinoxid (ITO), der nu bruges i displays og solceller.

Forskningen vises i denne måned i tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano .

grafen, en enkeltlagsmatrix af carbonatomer, kan være et af de stærkeste materialer på planeten, men det kan være en udfordring at løfte de små plader fra katalysatorsubstratet, som de er dyrket på, generelt ved kemisk dampaflejring (CVD), sagde Tour.

"Normalt dyrker man grafen på et metal, men du kan ikke bare opløse metallet væk, " sagde Tour. "Du lægger en polymer oven på grafenen for at forstærke den, og opløs derefter metallet.

"Så har du polymer klæbet til grafenen. Når du opløser polymeren, du sidder tilbage med rester, spor urenheder, der begrænser grafens effektivitet til højhastighedselektronik og biologiske enheder. Ved at fjerne polymerstøttetrinnet, vi udvider i høj grad potentialet for dette materiale."

For at skabe det, de kalder armeringsjernsgrafen, forskerne spin-coater simpelthen og opvarmer og afkøler derefter funktionaliserede enkelt- eller flervæggede kulstofnanorør på kobberfolier, ved at bruge selve nanorørene som kulstofkilde. Ved opvarmning, de funktionelle kulstofgrupper nedbrydes og danner grafen, mens nanorørene delvist deler sig og danner kovalente forbindelser med det nye grafenlag.

"Nanorørene bliver faktisk ét med materialet visse steder, " sagde Tour. "Det er en ægte hybrid med in-plane nanorør, der er kovalent bundet til grafen."

De indbyrdes forbundne, indlejrede nanorør styrker grafen, sagde Tour. "Vi kan se på vores billeder, hvor godt nanorørene bærer belastningen. Når vi strækker materialet, rørene bliver tyndere, " sagde han. Fordi elektronmikroskopbillederne lader dem bestemme nanorørenes chiralitet - vinklerne på de sekskanter, der udgør røret - var forskerne i stand til at beregne rørenes diametre og vide præcis, hvor meget tyndere de bliver under spænding.

De netværksforbundne nanorør gør også materialet til en bedre leder end standard CVD-dyrket grafen, sagde Tour. Graphene som vokset er aldrig en perfekt matrix af sekskanter; i stedet, den består af krystaller, der vokser separat og forbindes ved korngrænser, der forstyrrer strømmen af ​​elektroner. Nanorørene i armeringsjernsgrafen slår effektivt bro over disse grænser.

"Det store for industrien er at se, om de kan få grafen til at erstatte ITO med gennemsigtige skærme, " sagde Tour. "Men ITO er stiv, og den går i stykker, når du taber din smartphone, for eksempel. Grafen og nanorør, på den anden side, ville have råd til fleksible skærme. Vi viste i vores test, at armeringsjernsgrafen har bedre ledningsevne end normalt grafen ved samme gennemsigtighed, og med lagdeling, det kunne være ITO-konkurrencedygtigt."