Forskere udvikler en cool proces til at lave bedre grafen

En ny teknik opfundet hos Caltech til at producere grafen - et materiale, der består af et atomtykt lag kulstof - ved stuetemperatur kan hjælpe med at bane vejen for kommercielt mulige grafenbaserede solceller og lysemitterende dioder, store panelskærme, og fleksibel elektronik.

"Med denne nye teknik, vi kan dyrke store ark grafen af ​​elektronisk kvalitet på meget kortere tid og ved meget lavere temperaturer, " siger Caltech stabsforsker David Boyd, der har udviklet metoden.

Boyd er den første forfatter til en ny undersøgelse, offentliggjort i tidsskriftets 18. marts-udgave Naturkommunikation , beskriver den nye fremstillingsproces og de nye egenskaber af den grafen, den producerer.

Grafen kunne revolutionere en række ingeniør- og videnskabelige områder på grund af dets unikke egenskaber, som omfatter en trækstyrke 200 gange stærkere end stål og en elektrisk mobilitet, der er to til tre størrelsesordener bedre end silicium. Et materiales elektriske mobilitet er et mål for, hvor let elektroner kan bevæge sig hen over dets overflade.

Imidlertid, at opnå disse egenskaber i en industrielt relevant skala har vist sig at være kompliceret. Eksisterende teknikker kræver temperaturer, der er alt for varme—1, 800 grader Fahrenheit, eller 1, 000 grader Celsius - til at inkorporere grafenfremstilling med den nuværende elektroniske fremstilling. Derudover høj temperatur vækst af grafen har tendens til at inducere store, ukontrolleret fordelt belastning - deformation - i materialet, som alvorligt kompromitterer dens iboende egenskaber.

"Tidligere mennesker var kun i stand til at dyrke nogle få kvadratmillimeter højmobilitetsgrafen ad gangen, og det krævede meget høje temperaturer, lange perioder, og mange skridt, " siger Caltech fysikprofessor Nai-Chang Yeh, Fletcher Jones Foundation meddirektør for Kavli Nanoscience Institute og den tilsvarende forfatter til den nye undersøgelse. "Vores nye metode kan konsekvent producere høj mobilitet og næsten belastningsfri grafen i et enkelt trin på blot et par minutter uden høj temperatur. Vi har skabt prøvestørrelser på et par kvadratcentimeter, og da vi mener, at vores metode er skalerbar, vi tror på, at vi kan dyrke plader, der er op til flere kvadratcentimeter eller større, baner vejen for realistiske applikationer i stor skala."

Den nye fremstillingsproces er måske slet ikke blevet opdaget, hvis det ikke var for en heldig vending. I 2012 Boyd, arbejdede derefter i laboratoriet hos afdøde David Goodwin, på det tidspunkt en Caltech-professor i maskinteknik og anvendt fysik, forsøgte at gengive en grafen-fremstillingsproces, han havde læst om i et videnskabeligt tidsskrift. I denne proces, opvarmet kobber bruges til at katalysere grafenvækst. "Jeg legede med det i min frokosttime, " siger Boyd, som nu arbejder med Yehs forskningsgruppe. "Men opskriften virkede ikke. Det virkede som en meget simpel proces. Jeg havde endda bedre udstyr end det, der blev brugt i det oprindelige eksperiment, så det burde have været nemmere for mig."

Under et af hans forsøg på at reproducere eksperimentet, telefonen ringede. Mens Boyd tog opkaldet, han lod utilsigtet en kobberfolie varme længere end normalt, før han udsatte den for metandamp, som giver de kulstofatomer, der er nødvendige for grafenvækst.

Da Boyd senere undersøgte kobberpladen ved hjælp af Raman-spektroskopi, en teknik, der bruges til at detektere og identificere grafen, han så beviser på, at der faktisk var dannet et grafenlag. "Det var et 'A-ha!' øjeblik, " siger Boyd. "Jeg indså da, at tricket til vækst er at have en meget ren overflade, en uden kobberoxid."

Som Boyd husker, så huskede han, at Robert Millikan, en nobelprisvindende fysiker og leder af Caltech fra 1921 til 1945, måtte også kæmpe med at fjerne kobberoxid, da han udførte sit berømte eksperiment fra 1916 for at måle Plancks konstant, hvilket er vigtigt for at beregne mængden af ​​energi en enkelt lyspartikel, eller foton, Boyd spekulerede på, om han, ligesom Millikan, kunne udtænke en metode til at rense sit kobber, mens det var under vakuumforhold.

Løsningen Boyd fandt på var at bruge et system, der først blev udviklet i 1960'erne til at generere et brintplasma - dvs. brintgas, der er blevet elektrificeret for at adskille elektronerne fra protonerne - for at fjerne kobberoxidet ved meget lavere temperaturer. Hans indledende eksperimenter afslørede ikke kun, at teknikken virkede til at fjerne kobberoxidet, men at den samtidig også producerede grafen.

I første omgang, Boyd kunne ikke finde ud af, hvorfor teknikken var så vellykket. Han opdagede senere, at to utætte ventiler lukkede spormængder af metan ind i forsøgskammeret. "Ventilerne lukkede den helt rigtige mængde metan ind for at grafen kunne vokse, " han siger.

Evnen til at producere grafen uden behov for aktiv opvarmning reducerer ikke kun produktionsomkostningerne, men resulterer også i et bedre produkt, fordi færre defekter – indført som følge af termiske ekspansions- og kontraktionsprocesser – genereres. Dette eliminerer igen behovet for flere postproduktionstrin. "Typisk, det tager omkring ti timer og ni til ti forskellige trin at lave en batch af højmobilitetsgrafen ved hjælp af højtemperaturvækstmetoder, " siger Yeh. "Vores proces involverer et trin, og det tager fem minutter."

Arbejde fra Yehs gruppe og internationale samarbejdspartnere afslørede senere, at grafen fremstillet ved hjælp af den nye teknik er af højere kvalitet end grafen fremstillet ved hjælp af konventionelle metoder:Det er stærkere, fordi det indeholder færre defekter, der kan svække dets mekaniske styrke, og den har den højeste elektriske mobilitet, der endnu er målt for syntetisk grafen.

Holdet mener, at en grund til, at deres teknik er så effektiv, er, at en kemisk reaktion mellem brintplasmaet og luftmolekylerne i kammerets atmosfære genererer cyanoradikaler - kulstof-nitrogen-molekyler, der er blevet strippet for deres elektroner. Som små superscrubbere, disse ladede molekyler afsøger effektivt kobberet for overfladeufuldkommenheder, hvilket giver en uberørt overflade, hvorpå grafen kan dyrkes.

Forskerne opdagede også, at deres grafen vokser på en særlig måde. Grafen fremstillet ved hjælp af konventionelle termiske processer vokser fra et tilfældigt kludetæppe af aflejringer. But graphene growth with the plasma technique is more orderly. The graphene deposits form lines that then grow into a seamless sheet, which contributes to its mechanical and electrical integrity.

A scaled-up version of their plasma technique could open the door for new kinds of electronics manufacturing, Yeh says. For eksempel, graphene sheets with low concentrations of defects could be used to protect materials against degradation from exposure to the environment. Another possibility would be to grow large sheets of graphene that can be used as a transparent conducting electrode for solar cells and display panels. "I fremtiden, you could have graphene-based cell-phone displays that generate their own power, " Yeh says.

Another possibility, hun siger, is to introduce intentionally imperfections into graphene's lattice structure to create specific mechanical and electronic attributes. "If you can strain graphene by design at the nanoscale, you can artificially engineer its properties. But for this to work, you need to start with a perfectly smooth, strain-free sheet of graphene, " Yeh says. "You can't do this if you have a sheet of graphene that has uncontrollable defects in different places."