Undersøgelse frigør det fulde potentiale af supermateriale grafen

Ny forskning afslører, hvorfor "supermaterialet" grafen ikke har transformeret elektronik som lovet, og viser, hvordan man fordobler sin ydeevne og endelig udnytter sit ekstraordinære potentiale.

Grafen er det stærkeste materiale, der nogensinde er testet. Det er også fleksibelt, transparent og leder varme og elektricitet 10 gange bedre end kobber.

Efter at grafenforskning vandt Nobelprisen i fysik i 2010, blev det hyldet som et transformativt materiale til fleksibel elektronik, mere kraftfulde computerchips og solpaneler, vandfiltre og biosensorer. Men ydeevnen har været blandet, og industriens vedtagelse er langsom.

Nu er en undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation identificerer siliciumforurening som hovedårsagen til skuffende resultater og detaljer om, hvordan man producerer højere ydeevne, ren grafen.

RMIT University-teamet ledet af Dr. Dorna Esrafilzadeh og Dr. Rouhollah Ali Jalili inspicerede kommercielt tilgængelige grafenprøver, atom for atom, med et state-of-art scanning overgangselektronmikroskop.

"Vi fandt høje niveauer af siliciumforurening i kommercielt tilgængelig grafen, med massiv indvirkning på materialets ydeevne, " sagde Esrafilzadeh.

Test viste, at silicium findes i naturlig grafit, råmaterialet, der bruges til at fremstille grafen, blev ikke fjernet helt, da den blev behandlet.

"Vi mener, at denne forurening er kernen i mange tilsyneladende inkonsekvente rapporter om egenskaberne af grafen og måske mange andre atomisk tynde todimensionelle (2-D) materialer, " sagde Esrafilzadeh.

"Graphene blev anset for at være transformativt, men har hidtil ikke haft en væsentlig kommerciel indflydelse, som har nogle lignende 2-D nanomaterialer. Nu ved vi hvorfor det ikke har fungeret som lovet, og hvad der skal gøres for at udnytte dets fulde potentiale."

Testen identificerede ikke kun disse urenheder, men viste også den store indflydelse, de har på ydeevnen, med kontamineret materiale, der yder op til 50 % dårligere, når det testes som elektroder.

"Dette niveau af inkonsekvens kan have forhindret fremkomsten af ​​store industriapplikationer til grafenbaserede systemer. Men det forhindrer også udviklingen af ​​regulatoriske rammer, der styrer implementeringen af ​​sådanne lagdelte nanomaterialer, som er bestemt til at blive rygraden i næste generations enheder, " hun sagde.

Den todimensionelle egenskab ved grafenplader, som kun er et atom tykt, gør den ideel til lagring af elektricitet og nye sensorteknologier, der er afhængige af et stort overfladeareal.

Denne undersøgelse afslører, hvordan den 2-D egenskab også er grafens akilleshæl, ved at gøre det så sårbart over for overfladeforurening, og understreger, hvor vigtig grafit med høj renhed er for produktionen af ​​mere ren grafen.

Ved at bruge ren grafen, forskere demonstrerede, hvordan materialet fungerede ekstraordinært godt, når det blev brugt til at bygge en superkapacitator, en slags superbatteri.

Når testet, enhedens kapacitet til at holde elektrisk ladning var enorm. Faktisk, det var den hidtil største kapacitet registreret for grafen og inden for syne af materialets forudsagte teoretiske kapacitet.

I samarbejde med RMITs Center for Avancerede Materialer og Industriel Kemi, holdet brugte derefter ren grafen til at bygge en alsidig fugtighedssensor med den højeste følsomhed og den laveste detektionsgrænse, der nogensinde er rapporteret.

Disse resultater udgør en afgørende milepæl for den fuldstændige forståelse af atomisk tynde todimensionelle materialer og deres succesfulde integration i højtydende kommercielle enheder.

"Vi håber, at denne forskning vil hjælpe med at frigøre det spændende potentiale i disse materialer."