Ny indsigt i grafen og organiske kompositter i elektronik

Kemikere fra Europas Graphene Flagship gennemgår potentialet for grafen-organiske kompositmaterialer i elektronik. Forskerne viser, hvordan organiske halvledere kan bruges til bedre at behandle grafen, og tune dens egenskaber til bestemte applikationer.

Det mest kendte af alle todimensionelle materialer, grafen har egenskaber, der gør det attraktivt for en lang række mekaniske, optiske og elektroniske applikationer. Grafen er en udfordring at producere i industriel skala, imidlertid, og det kan være svært at justere dens egenskaber, så de passer til specifikke funktioner. I håbet om at løse disse to problemer samtidigt, Forskningsinteressen retter sig mod interaktionen mellem grafen og skræddersyede organiske halvledere.

Kemikere har længe været interesseret i organiske molekyler til nanoteknologiske anvendelser. Mindre organiske molekyler kan muliggøre molekylær samling af kulstof nanomaterialer til højt ordnede arkitekturer såsom nanofibre, krystaller og monolag. Rygraden af ​​kulstofatomer i polymerer, på den anden side, kan føre til mere uordnede forsamlinger i stor skala, men polymerernes aflange og fleksible former sørger for høj opløselighed og en effektiv transport af elektrisk ladning.

Skalerbar behandling og funktionalisering af grafen er emnet for en artikel af tre Graphene Flagship-forskere, der skriver i Royal Society of Chemistry-tidsskriftet, det Journal of Materials Chemistry C . The Graphene Flagship er et internationalt konsortium af akademiske og industrielle partnere, delfinansieret af Europa-Kommissionen, som fokuserer på udvikling af grafen og relaterede 2d materialer.

Andrea Schlierf, Paolo Samorì og Vincenzo Palermo ser i deres anmeldelse på en række kommercielle polymerer, hvis mekaniske og elektriske egenskaber kunne forbedres med tilsætning af grafen. Forfatterne betragter også grafen som et substrat for biomedicinske anvendelser, og brugen af ​​organiske halvledere til at åbne et elektronisk båndgab i grafen. Fraværet af et båndgab i den rene form af dette stærkt ledende materiale er et stort problem, der hindrer dets udnyttelse i elektronik.

Deponerer små organiske molekyler på en flad kulstofoverflade såsom grafen, og man kan modulere den overflade gennem den eksternt urettede kemiske proces kendt som selvsamling. Der er mange klasser af molekyler, der kan bruges til dette formål, lige fra simple alkaner til større aromatiske kulbrinter. Selvsamling er i alle tilfælde drevet af et komplekst samspil mellem inter-molekylære og molekyle-substrat interaktioner.

Eksperimentelle resultater viser, at kernedannelsen, orientering og pakning af organiske halvledere på grafen er ret forskellige fra dem, der dyrkes på konventionelle substrater som silicium og grafit. Tilføjelse af kemiske sidekæder til rygraden af ​​de organiske molekyler kan også afsløre funktionaliteter, der fungerer i synergi med eller modsætning til kerneinteraktionen mellem de adsorberede molekyler og grafen, fører til mere komplekse selvsamlingsveje.

At belægge grafen med organiske molekyler i et vakuum er én ting, men når det kommer til funktionalisering og omkostninger, opløselige grafen-organiske hybridsystemer har klare fordele i forhold til grafen produceret ved kemisk dampaflejring eller epitaksial vækst. Grafen-organiske suspensioner kan behandles med stort område aflejring teknikker såsom inkjet print, med grafen produceret ved flydende fase eksfoliering i et organisk opløsningsmiddel. Dette er køkkenvaskens tilgang til grafenfremstilling, og processen er billig, effektiv og meget skalerbar.

Et eksempel på denne væskebaserede tilgang til grafeneksfoliering er givet i en anden nylig forskningspublikation, som alle tre reviewforfattere har bidraget til. I et papir offentliggjort i Institute of Physics-tidsskriftet 2D Materials, Schlierf og hendes kolleger beskriver eksfolieringen, forarbejdning og inklusion i polymerkompositter af grafen-nano-blodplader ved brug af indanthronblåt sulfonsyrenatriumsalt, et almindeligt industrielt farvestof kendt som IBS for kort.

Som det er almindeligt med komposit nanomaterialer generelt, adsorptionen af ​​organiske molekyler på grafen kan have en betydelig effekt på sidstnævntes elektroniske egenskaber. Påvirkningen af ​​denne materialedoping bekræftes af spektroskopiske målinger, og inkluderer G-båndopdeling i Raman-spektre.

En anden bemærkelsesværdig effekt af grafen-organiske interaktioner er fluorescensslukning i lys-emitterende farvestoffer ved ladning eller energioverførsel. I dette tilfælde, interaktionen er forbundet med elektromagnetiske felter, der er stærkt forstærket som følge af grafens energisynkekarakter. Det er denne kvalitet af grafen, der gør det til et lovende materiale til fotodetektion, nano-fotoniske og fotovoltaiske applikationer.

Adsorption af organiske halvledere kan også give grafen en magnetisk funktion, som supplement til dets elektroniske, mekaniske og optiske egenskaber. Dette kunne føre til anvendelse af grafen-organiske hybridmaterialer i spintronik, med magnetiske funktionaliteter, der ændrer spinpolariseringen af ​​elektriske strømme, der flyder i grafen.

Spintronics til side, potentialet for grafen i elektronik hviler i høj grad på dets anvendelse i integrerede kredsløb, og for eksempel i komponenterne kendt som felteffekttransistorer (FET'er). Problemet med grafen, i det mindste i sin uberørte form, er, at den høje ladningsbærermobilitet opvejes af et meget dårligt tænd-sluk-strømskifteforhold. Doping af grafen med andre materialer kan forbedre dette til en vis grad, men der er en anden måde at gribe problemet an på. Grafen kunne inkorporeres i organiske FET'er, resulterer i øget elektronmobilitet, og skifteforhold, der er sammenlignelige med eller bedre end dem, der observeres i organiske FET'er uden grafen.

Fokus her er på grafen, men grafen er kun et af hundredvis af todimensionelle materialer af interesse for flagskibsforskere og industri. Andre lagdelte materialer omfatter bornitrid og molybdændisulfid (MoS2), hvis halvlederkvaliteter giver dem en fordel i forhold til ren grafen i visse applikationer. Sådanne 2d-materialer kunne for eksempel bruges i transistor-gate-isolatorer, foto-responsive komponenter, som aktive materialer til FET'er, eller i elektroder. En polymerkomposit af flydende faseeksfolieret MoS2 og polyethylenoxid blev for nylig demonstreret som et anodemateriale til lithium-ion-batterier. Kompositten viser høj opladningskapacitet, og langsigtet reversibilitet.

Grafen omtales ofte i modsætning til silicium som det elektroniske materiale i en 'post-silicium tidsalder'. Virkeligheden er mere nuanceret end dette idealiserede billede, men stadig, grafen kan i nogle henseender udkonkurrere silicium. Det åbner også op for nye muligheder, især når det bruges i kombination med andre materialer.

"En stor fordel ved grafen i forhold til silicium er, at det er baseret på kulstof, som danner grundlag for alle organiske materialer", siger Vincenzo Palermo, som leder enheden for funktionelle organiske materialer ved Instituttet for Organisk Syntese og Fotoreaktivitet i det italienske nationale forskningsråd i Bologna. "Denne affinitet mellem grafen og organiske forbindelser muliggør en sømløs integration af grafen i kompositmaterialer til fleksibel elektronik, sansning og biomedicinske applikationer. Grafen kan stærkt interagere med og tune morfologien af ​​de fleste organiske molekyler, og det gør det på en mere kontrolleret måde, end det er tilfældet med andre materialer såsom silicium eller metaller."

Som Palermo og hans medforfattere udtaler i deres konklusion på deres anmeldelse, muligheden for at kombinere kulstofbaserede materialer med meget forskellige egenskaber bør give mulighed for integration af højhastighedselektronik, organisk elektronik og kompositmaterialevidenskab.