Gradstuderende udtænker enkle, billig teknik til at undersøge fremtidens materiale

Will Dickinson stod over for en gåde.

Han ville studere ark af grafen, og han havde nogle af verdens mest følsomme laboratorieinstrumenter til sin rådighed. Hans problem var dette:Grafenark er, efter dagligdags standarder, teeny ting; en stor er kun et par mikrometer i diameter.

Hans foretrukne instrument til materialeanalyse er atomkraftmikroskopet (AFM). Men AFM-arbejde er langsomt og dyrt, og Dickinson havde brug for at undersøge en hel masse ark.

Så Dickinson, en ph.d. studerende, der arbejder med Hannes Schniepp i William &Mary's Department of Applied Science, kom med en genial teknik til at undersøge grafenplader hurtigt og billigt.

Schniepp, Adina Allen Term Distinguished Associate Professor, siger, at laboratoriets opdagelse er et stort skridt mod masseproduktion af grafenprodukter af forbrugerkvalitet. Deres undersøgelse blev finansieret af National Science Foundation. Den nye teknik er beskrevet i "High-throughput optisk tykkelse og størrelse karakterisering af 2-D materialer, " udgivet med samarbejdspartnere fra University of Connecticut i tidsskriftet Royal Society of Chemistry Nanoskala .

grafen, Schniepp forklarede, har et stort set ubegrænset potentiale som fremtidens materiale. Som diamant, grafen er en allotrop af kulstof. Han afkrydsede et par af fordelene ved kulstofallotropen.

"Det er det stærkeste materiale på planeten. Det er et af de stiveste materialer. Det har en fantastisk elektrisk ledningsevne, " han sagde.

Schniepp tilføjede, at råmaterialet til grafen er grafit, "hvilket er bogstaveligt talt snavs billigt." Forskere har lavet ark af grafen et enkelt atom tykt, men samler nok små, grafenplader i nanoskala til at lave en flyskrog – eller endda en halvleder – giver nogle udfordringer.

"Fra disse virkelig små ark, at komme til et tv, eller en solcelle, eller en cykel – ja, du har brug for mange ark, " sagde Schniepp. "Så, først og fremmest skal du finde på en teknik til at producere en masse af dem. Det gør vi fremskridt med."

Ja, grafen er begyndt at finde vej til forbrugerprodukter – Dickinson har et par hovedtelefoner med grafenmembraner, og Schniepp siger, at større produkter, såsom tennisketsjerstel, er omkring fem år fra at komme på markedet.

Et af de nødvendige aspekter til masseproduktion af grafen er kvalitetskontrol. Det er her Schniepp og Dickinsons bidrag vil hjælpe. Du laver grafen ved at sprede dit råmateriale i et stærkt ultralydsbad og derefter afsætte det på et substrat.

De producerede plader af grafen kan være et enkelt lag tykt - eller mere. Og antallet af lag betyder noget, sagde Schniepp.

"Egenskaberne af disse ark er alle forskellige, " sagde han. "Hvis du går fra et til to, der er ret stor forskel på pladernes egenskaber."

Schniepp og Dickinson havde brug for en høj-throughput måde at undersøge tykkelsen af ​​arkene. Elektronmikroskoper kan gøre arbejdet, men produktionen af ​​grafen på alt, der nærmer sig en industriel skala, vil kræve analyser, der er relativt hurtige og ideelt set ikke kræver multimillion dollar-instrumenter.

De besluttede at prøve optisk mikroskopi, ved hjælp af et mikroskop af anstændig kvalitet, "En, som du ville finde i næsten alle forskningslaboratorier - eller endda undervisningslaboratorier - her hos William &Mary, " sagde Schniepp. Optiske skoper har minimal brug i nanoteknologiapplikationer, som kræver højere opløsning.

"Når du taler om grafen, fordi lagnerne er så utrolig tynde, de giver næsten ingen optisk kontrast. Lyset går helt igennem dem. Så, hvis du bare ser på dem gennem et mikroskop, der er næsten ingen kontrast, " forklarede Schniepp.

Dickinson var frustreret over at prøve at se på store grafenplader ved hjælp af atomkraftmikroskopi. AFM arbejder med objekter, der er, højst, omkring 100 mikron på en side, og de prøver, han havde, var flere gange så store.

"Så, Jeg tænkte, Jeg kan ikke bruge AFM. Måske kan jeg se på dem med det optiske mikroskop, og få noget ud af det, " sagde Dickinson. "Jeg har brug for noget, " tænkte han ved sig selv. "Fordi det ikke gør nogen glad at have ingenting lige nu."

Han lagde nogle grafenark under den optiske 'scope-linse og så, hvad et stort antal ingeniører og videnskabsmænd havde set før:"Man kunne se de forskellige lag, men billedet er bare ikke godt nok."

Dickinson begyndte at pille ved processen, forfine det trin for trin. For eksempel, han lavede et billede af det nøgne underlag, grafenen sidder på. Så kunne han arbejde på en måde at trække den baggrund fra.

"Det giver mig noget bedre, " sagde Dickinson. Han begyndte at arbejde med et histogram af sit billede, ligesom en fotoeditor retter et billede i Photoshop. Det fik ham tættere på et ønsket resultat, men ikke tæt nok på.

Dickinson begyndte at tænke på den omfattende software-baserede billedbehandlingskomponent i atomkraftmikroskopi. Hvad ville der ske, hvis han tog et grafenbillede fra sit optiske mikroskop og kørte det gennem et AFM-behandlingsregime? Det var et forsøg værd, han tænkte.

"Så, Jeg eksporterer dette optiske billede til en tekstfil og importerer det, som sidelæns, ind i AFM-software og bruge disse teknikker, " sagde Dickinson. "Pludselig, Jeg kunne se meget her!"

Han arbejdede på at forfine teknikken. Dickinson sagde, at han stadig ikke var sikker på, hvad han havde opnået, før han og Schniepp demonstrerede processen for Douglas Adamson, en samarbejdspartner ved University of Connecticut.

"Da vi viste det til professor Adamson, han sagde, 'Det her er meget fedt. Ingen har gjort dette før! Det er en nyttig ting, '" huskede Dickinson.

Yderligere støtte kom på konferencer, hvor deres plakat tiltrak en konsekvent begejstret gruppe af ingeniører og videnskabsmænd. "Vi blev oversvømmet!" sagde Schniepp.

Det er ikke underligt, at deres plakat tiltrak så meget opmærksomhed. Schniepp vurderede, at deres teknik er 10 gange billigere og mindst 100 gange hurtigere end grafen-inspektionsteknikker, der nu er i brug. Det er et stort skridt mod masseproduktion af stoffet, og Schniepp giver størstedelen af ​​æren til Dickinson.

"Det meste af det var Wills del. Jeg tror, ​​at dette papir ikke ville eksistere uden ham, " sagde Schniepp. "Det er ikke en situation, hvor jeg havde ideen og derefter rådede ham til at gøre det. Han var den, der indså det potentiale, der er der og havde tålmodigheden og vedholdenheden til at perfektionere teknikken ... det er alt Will."