Defekter er perfekte i laser-induceret grafen

Forskere ved Rice University har skabt fleksible, mønstrede ark af flerlagsgrafen fra en billig polymer ved at brænde den med en computerstyret laser. Processen arbejder i luft ved stuetemperatur og eliminerer behovet for varme ovne og kontrollerede miljøer, og det laver grafen, der kan være velegnet til elektronik eller energilagring.

Under et mikroskop, det, forskerne kalder laser-induceret grafen (LIG), ligner ikke et perfekt hønsenet-lignende gitter af atomer. I stedet, det er et virvar af indbyrdes forbundne grafenflager med fem-, seks- og syvatoms ringe. De parrede fem- og syvatoms ringe betragtes som defekter - men i dette tilfælde, det er de ikke. De er funktioner.

Materialet kan laves i detaljerede mønstre. For at vise og fortælle, Rice-holdet mønstrede LIG-ugler i millimeterstørrelse (skolens maskot), og til praktisk afprøvning fremstillede de superkondensatorer i mikroskala med LIG-elektroder i et-trins indskrivning.

Rice-kemikeren James Tours og den teoretiske fysiker Boris Yakobsons laboratorier offentliggjorde deres forskning online i dag i Naturkommunikation .

Et-trins processen er skalerbar, sagde Tour, der foreslog, at det kunne give mulighed for hurtig roll-to-roll fremstilling af nanoskala elektronik.

"Dette vil være godt for ting, folk kan relatere til:tøj og bærbar elektronik som smartwatches, der konfigureres til din smartphone, " han sagde.

Denne top-down tilgang til fremstilling af grafen er helt anderledes end tidligere værker fra Tours laboratorium, som var banebrydende inden for småskalafremstilling af det atomtykke materiale fra almindelige kulstofkilder, selv spejderkager, og lærte at opdele multiwalled nanorør i nyttige grafen nanobånd.

Men som i det forrige arbejde, grundmaterialet til LIG er billigt. "Du køber polyimid fleksible plastikplader i store ruller, kaldet Kapton, og processen foregår helt i luften med en hurtig skriveproces. Det sætter det op til en meget skalerbar, industriel proces, " sagde Tour.

Produktet er ikke en todimensional skive grafen, men et porøst skum af indbyrdes forbundne flager, der er omkring 20 mikrometer tykke. Laseren skærer ikke hele vejen igennem, så skummet forbliver knyttet til en håndterbar, isolerende, fleksibel plastik base.

Processen fungerer kun med en bestemt polymer. Forskerne ledet af Jian Lin, en tidligere postdoktor i Tour Group og nu adjunkt ved University of Missouri, prøvede 15 forskellige polymerer og fandt, at kun to kunne konverteres til LIG. Af disse, polyimid var klart bedst.

Tour sagde, at den resulterende grafen ikke er så ledende som kobber, men det behøver det ikke at være. "Det er ledende nok til mange applikationer, " han sagde.

Han sagde, at LIG nemt kan omdannes til en superkondensator, som kombinerer hurtig opladning, strømlagringskapacitet af en kondensator med den højere energileverende evne, dog endnu ikke så høj som i et batteri. Defekterne kan være nøglen, sagde Tour.

"Et normalt ark grafen er fyldt med seks-leddet ringe, " sagde han. "En gang imellem ser du en bugtende linje på 5-7s, men dette nye materiale er fyldt med 5-7s. Det er en meget usædvanlig struktur, og det er de domæner, der fanger elektroner. Havde det bare været normal (meget ledende) grafen, den kunne ikke lagre en ladning."

Beregninger fra Yakobsons gruppe viste, at disse balancerende fem-og-syv-formationer gør materialet mere metallisk og forbedrer dets evne til at opbevare ladninger.

"Teoretiske metoder og tæthedsfunktionelle beregninger gjorde det muligt for os at se ind i de elektroniske energistaters organisation, " sagde Yakobson. "Det, vi opdagede, er, at den meget lave tæthed af tilgængelige tilstande - hvilket er afgørende for lagkapacitansen - stiger dramatisk, på grund af forskellige topologiske defekter, hovedsageligt femkantede og sekskantede ringe.

"Det faktum, at meget defekt grafen klarer sig så godt, er en gratis ting, en gave fra naturen, " han sagde.

Miguel José Yacaman, formand for Institut for Fysik ved University of Texas i San Antonio, bidrog med sin ekspertise i transmissionselektronmikroskop-billeddannelse for at bekræfte eksistensen af ​​så mange defekter.

"Vi har det, der kaldes aberrationskorrigeret mikroskopi, som giver os mulighed for at se fejlene, " sagde Yacaman. "Opløsningen er under 1 ångstrøm, dybest set 70 picometers (billiontedele af en meter), og det er det, du skal bruge for virkelig at se på enkelte atomer."

Tours laboratorium brugte maskinværkstedlaserne på Rice's Oshman Engineering Design Kitchen til at skabe deres robuste mikrosuperkondensatorer. De bedste resultater viste en kapacitans på mere end 4 millifarads per kvadratcentimeter og en effekttæthed på omkring 9 milliwatt per kvadratcentimeter, sammenlignelig med andre kulstofbaserede mikrosuperkondensatorer, og ubetydelig nedbrydning efter så mange som 9, 000 opladnings-/afladningscyklusser. Denne kapacitans er tilstrækkelig til billige bærbare elektroniske enheder, og Tour sagde, at hans gruppe fortsætter med at lave forbedringer.

Han sagde, at laboratoriet ikke begyndte at lede efter LIG. "Alt konvergerede. Naturen kan være en hård taskmaster, men en gang imellem, hun giver dig noget meget bedre end det du havde bedt om. Eller forventet."