Forskere bruger almindeligt glas til at optimere grafenernes elektroniske egenskaber

grafen, det todimensionelle kraftcenter, pakker ekstrem holdbarhed, elektrisk ledningsevne, og gennemsigtighed til en et-atom-tyk plade af kulstof. På trods af at det er blevet udråbt som et banebrydende "vidundermateriale, "Grafen har været langsom til at springe ind i kommercielle og industrielle produkter og processer.

Nu, forskere har udviklet en enkel og kraftfuld metode til at skabe modstandsdygtige, tilpasset, og højtydende grafen:lag det oven på almindeligt glas. Denne skalerbare og billige proces hjælper med at bane vejen for en ny klasse af mikroelektroniske og optoelektroniske enheder – alt fra effektive solceller til touchskærme.

Samarbejdet - ledet af forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory, Stony Brook University (SBU), og Colleges of Nanoscale Science and Engineering ved SUNY Polytechnic Institute - offentliggjorde deres resultater 12. februar, 2016, i journalen Videnskabelige rapporter .

"Vi mener, at dette arbejde betydeligt kan fremme udviklingen af ​​virkelig skalerbare grafenteknologier, " sagde studiemedforfatter Matthew Eisaman, en fysiker ved Brookhaven Lab og professor ved SBU.

Forskerne byggede proof-of-concept grafen-enheder på underlag lavet af soda-kalkglas - det mest almindelige glas, der findes i vinduer, flasker, og mange andre produkter. I en uventet drejning, natriumatomerne i glasset havde en kraftig effekt på grafenens elektroniske egenskaber.

"Natriumet inde i soda-kalkglasset skaber høj elektrontæthed i grafenet, som er afgørende for mange processer og har været udfordrende at opnå, " sagde medforfatter Nanditha Dissanayake fra Voxtel, Inc., men tidligere fra Brookhaven Lab. "Vi opdagede faktisk denne effektive og robuste løsning under jagten på noget lidt mere komplekst. Sådanne overraskelser er en del af videnskabens skønhed."

Afgørende, effekten forblev stærk, selv når enhederne blev udsat for luft i flere uger - en klar forbedring i forhold til konkurrerende teknikker.

Det eksperimentelle arbejde blev primært udført i Brookhavens Sustainable Energy Technologies Department og Center for Functional Nanomaterials (CFN), som er en DOE Office of Science User Facility.

De pågældende grafenjusteringer drejer sig om en proces kaldet doping, hvor de elektroniske egenskaber er optimeret til brug i enheder. Denne justering involverer at øge enten antallet af elektroner eller de elektronfrie "huller" i et materiale for at skabe den perfekte balance til forskellige anvendelser. For vellykkede enheder fra den virkelige verden, det er også meget vigtigt, at det lokale antal elektroner, der overføres til grafen, ikke nedbrydes over tid.

"Graphen-dopingprocessen involverer typisk introduktion af eksterne kemikalier, som ikke kun øger kompleksiteten, men det kan også gøre materialet mere sårbart over for nedbrydning, " sagde Eisaman. "Heldigvis, vi fandt en genvej, der overvandt disse forhindringer."

Holdet satte oprindeligt sig for at optimere en solcelle indeholdende grafen stablet på en højtydende kobber-indium-gallium-diselenid (CIGS) halvleder, som igen blev stablet på et industrielt soda-kalk glassubstrat.

Forskerne udførte derefter foreløbige test af det nye system for at give en baseline for at teste virkningerne af efterfølgende doping. Men disse test afslørede noget mærkeligt:​​grafenet var allerede optimalt dopet uden introduktion af yderligere kemikalier.

"Til vores overraskelse, grafen- og CIGS-lagene dannede allerede en god solcelleforbindelse!" sagde Dissanayake. "Efter megen undersøgelse, og den senere isolering af grafen på glasset, vi opdagede, at natrium i substratet automatisk skabte høj elektrontæthed i vores flerlagede grafen."

At udpege den mekanisme, hvorved natrium fungerer som et dopingmiddel, involverede en omhyggelig udforskning af systemet og dets ydeevne under forskellige forhold, herunder fremstilling af enheder og måling af dopingstyrken på en bred vifte af underlag, både med og uden natrium.

"Udvikling og karakterisering af enhederne krævede kompleks nanofabrikation, delikat overførsel af den atomare tynde grafen til ru underlag, detaljeret strukturel og elektro-optisk karakterisering, og også evnen til at dyrke CIGS-halvlederen, " sagde Dissanayake. "Heldigvis, vi havde både ekspertisen og det avancerede instrumentering ved hånden til at imødegå alle disse udfordringer, samt generøse midler."

Hovedparten af ​​det eksperimentelle arbejde blev udført på Brookhaven Lab ved hjælp af teknikker udviklet internt, herunder avanceret litografi. Til højopløsnings-elektronmikroskopimålinger, CFN-ansatte videnskabsmænd og studiemedforfattere Kim Kisslinger og Lihua Zhang lånte deres ekspertise. Medforfatterne Harry Efstathiadis og Daniel Dwyer - begge ved College of Nanoscale Science and Engineering ved SUNY Polytechnic Institute - ledede bestræbelserne på at vokse og karakterisere CIGS-filmene af høj kvalitet.

"Nu hvor vi har demonstreret det grundlæggende koncept, vi ønsker dernæst at fokusere på at demonstrere fin kontrol over dopingstyrken og rumlige mønstre, " sagde Eisaman.

Forskerne er nu nødt til at sondere dybere ind i det grundlæggende i dopingmekanismen og mere omhyggeligt studere materialets modstandsdygtighed under eksponering for virkelige driftsforhold. De første resultater, imidlertid, tyder på, at glas-grafen-metoden er meget mere modstandsdygtig over for nedbrydning end mange andre dopingteknikker.

"De potentielle anvendelser for grafen berører mange dele af alles dagligdag, fra forbrugerelektronik til energiteknologier, " sagde Eisaman. "Det er for tidligt at sige præcis, hvilken effekt vores resultater vil have, men dette er et vigtigt skridt mod muligvis at gøre nogle af disse applikationer virkelig overkommelige og skalerbare."

For eksempel, grafens høje ledningsevne og gennemsigtighed gør det til en meget lovende kandidat som en gennemsigtig, ledende elektrode til at erstatte det relativt skøre og dyre indiumtinoxid (ITO) i applikationer som solceller, organiske lysdioder (OLED'er), fladskærme, og touchskærme. For at erstatte ITO, skalerbare og billige metoder skal udvikles til at kontrollere grafens modstand mod strømmen af ​​elektrisk strøm ved at kontrollere dopingstyrken. Dette nye glas-grafen system kunne løfte den udfordring, siger forskerne.