En ny måde at lave ark af grafen på

Graphene's løfte som materiale til nye slags elektroniske enheder, blandt andre anvendelser, har fået forskere over hele verden til at studere materialet i jagten på nye anvendelser. Men en af ​​de største begrænsninger for bredere brug af det stærke, letvægts, stærkt ledende materiale har været forhindringen for fremstilling i industriel skala.

Indledende arbejde med kulstofmaterialet, som danner et atomskala-net og kun er et enkelt atom tykt, har påberåbt sig brugen af ​​små flager, typisk opnået ved hurtigt at fjerne et stykke klæbende tape fra en grafitblok - et lavteknologisk system, der ikke egner sig til fremstilling. Siden da, fokus er flyttet til at lave grafenfilm på metalfolie, men forskere har haft vanskeligheder med at overføre grafen fra folien til nyttige substrater.

Nu har forskere ved MIT og University of Michigan fundet på en måde at fremstille grafen på, i en proces, der egner sig til opskalering, ved at lave grafen direkte på materialer som store glasplader. Processen er beskrevet, i et papir offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Videnskabelige rapporter , af et hold på ni forskere ledet af A. John Hart fra MIT. Hovedforfatterne af papiret er Dan McNerny, en tidligere MIT postdoc, der nu er i Michigan, og Viswanath Balakrishnan, en tidligere MIT postdoc, som nu er på Indian Institute of Technology.

I øjeblikket, De fleste metoder til fremstilling af grafen dyrker først materialet på en metalfilm, såsom nikkel eller kobber, siger Hart, Mitsui karriereudviklingslektor i maskinteknik. "For at gøre det nyttigt, du skal få det af metallet og på et underlag, såsom en siliciumwafer eller en polymerplade, eller noget større som en glasplade, " siger han. "Men processen med at overføre den er blevet meget mere frustrerende end processen med at dyrke selve grafenen, og kan beskadige og forurene grafenen."

Det nye værk, Hart siger, bruger stadig en metalfilm som skabelon - men i stedet for kun at lave grafen oven på metalfilmen, det laver grafen på både filmens top og bund. Substratet i dette tilfælde er siliciumdioxid, en form for glas, med en film af nikkel ovenpå.

Ved at bruge kemisk dampaflejring (CVD) til at afsætte et grafenlag oven på nikkelfilmen, Hart siger, giver "ikke kun grafen på toppen [af nikkellaget], men også på bunden." Nikkelfilmen kan derefter pilles væk, efterlader kun grafen oven på det ikke-metalliske substrat.

Denne måde, der er ikke behov for en separat proces for at fastgøre grafenet til det tilsigtede substrat - uanset om det er en stor glasplade til en skærm, eller en tynd, fleksibelt materiale, der kunne bruges som grundlag for en letvægts, bærbar solcelle, for eksempel. "Du laver CVD'en på underlaget, og, ved hjælp af vores metode, grafen bliver tilbage på underlaget, " siger Hart.

Ud over forskerne ved Michigan, hvor Hart tidligere underviste, arbejdet er udført i samarbejde med en stor glasproducent, Guardian Industries. "For at opfylde deres produktionsbehov, det skal være meget skalerbart, " siger Hart. Virksomheden bruger i øjeblikket en float-proces, hvor glas bevæger sig med en hastighed på flere meter i minuttet i faciliteter, der producerer hundredvis af tons glas hver dag. "Vi blev inspireret af behovet for at udvikle en skalerbar fremstillingsproces, der kunne producere grafen direkte på et glassubstrat, " siger Hart.

Arbejdet er stadig i en tidlig fase; Hart advarer om, at "vi stadig er nødt til at forbedre ensartetheden og kvaliteten af ​​grafen for at gøre det nyttigt." Men potentialet er stort, han foreslår:"Evnen til at producere grafen direkte på ikke-metalsubstrater kunne bruges til storformatskærme og berøringsskærme, og til 'smarte' vinduer, der har integrerede enheder som varmelegemer og sensorer."

Hart tilføjer, at tilgangen også kan bruges til små applikationer, såsom integrerede kredsløb på siliciumskiver, hvis grafen kan syntetiseres ved lavere temperaturer, end der blev brugt i denne undersøgelse.

"Denne nye proces er baseret på en forståelse af grafenvækst i overensstemmelse med mekanikken i nikkelfilmen, " siger han. "Vi har vist, at denne mekanisme kan fungere. Nu er det et spørgsmål om at forbedre de nødvendige egenskaber for at producere en højtydende grafenbelægning."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.