Belægning af grafen med voks giver en mindre forurenet overflade under enhedens fremstilling

For at beskytte grafen mod ydeevneforringende rynker og forurenende stoffer, der ødelægger dets overflade under fremstilling af enheden, MIT-forskere har vendt sig til et hverdagsmateriale:voks.

Grafen er et atomtyndt materiale, der lover at lave næste generations elektronik. Forskere undersøger mulighederne for at bruge det eksotiske materiale i kredsløb til fleksibel elektronik og kvantecomputere, og i en række andre enheder.

Men at fjerne det skrøbelige materiale fra det substrat, det er dyrket på, og overføre det til et nyt substrat er særligt udfordrende. Traditionelle metoder omslutter grafenen i en polymer, der beskytter mod brud, men som også introducerer defekter og partikler på grafenens overflade. Disse afbryder elektrisk flow og kvæler ydeevnen.

I et blad udgivet i Naturkommunikation , forskerne beskriver en fremstillingsteknik, der påfører en voksbelægning på en grafenplade og varmer den op. Varme får voksen til at udvide sig, som udglatter grafen for at reducere rynker. I øvrigt, belægningen kan vaskes væk uden at efterlade megen rester.

I eksperimenter, forskernes voksbelagte grafen klarede sig fire gange bedre end grafen fremstillet med et traditionelt polymerbeskyttende lag. Ydeevne, I dette tilfælde, måles i "elektronmobilitet" - hvilket betyder, hvor hurtigt elektroner bevæger sig hen over et materiales overflade - som hindres af overfladedefekter.

"Som at vokse et gulv, du kan lave den samme type belægning oven på grafen med stort areal og bruge det som et lag til at samle grafenen op fra et metalvækstsubstrat og overføre det til et hvilket som helst ønsket substrat, " siger førsteforfatter Wei Sun Leong, en postdoc i Institut for Elektroteknik og Datalogi (EECS). "Denne teknologi er meget nyttig, fordi det løser to problemer samtidigt:rynker og polymerrester."

Medforfatter Haozhe Wang, en ph.d. studerende i EECS, siger, at brug af voks kan lyde som en naturlig løsning, men det indebar noget at tænke ud af boksen – eller, mere specifikt, uden for laboratoriet:"Som studerende, vi begrænser os til sofistikerede materialer, der er tilgængelige i laboratoriet. I stedet, i dette arbejde, vi valgte et materiale, der almindeligvis bruges i vores daglige liv."

Sammen med Leong og Wang på papiret er:Jing Kong og Tomas Palacios, begge EECS-professorer; Markus Bühler, professor og leder af Institut for Bygge- og Miljøteknik (CEE); og seks andre kandidatstuderende, postdocs, og forskere fra EECS, CEE, og Institut for Maskinteknik.

Den "perfekte" beskytter

At dyrke grafen over store områder, 2-D-materialet dyrkes typisk på et kommercielt kobbersubstrat. Derefter, det er beskyttet af et "opofrende" polymerlag, typisk polymethylmethacrylat (PMMA). Den PMMA-belagte grafen anbringes i et kar med sur opløsning, indtil kobberet er helt væk. Den resterende PMMA-grafen skylles med vand, derefter tørret, og PMMA-laget fjernes i sidste ende.

Rynker opstår, når vand bliver fanget mellem grafen og destinationssubstratet, hvilket PMMA ikke forhindrer. I øvrigt, PMMA består af komplekse kæder af oxygen, kulstof, og hydrogenatomer, der danner stærke bindinger med grafenatomer. Dette efterlader partikler på overfladen, når det fjernes.

Forskere har forsøgt at modificere PMMA og andre polymerer for at hjælpe med at reducere rynker og rester, men med minimal succes. MIT-forskerne søgte i stedet efter helt nye materialer - selv når de prøvede kommerciel krympefolie. "Det var ikke så vellykket, men vi prøvede "Wang siger, griner.

Efter at have finkæmmet materialevidenskabelig litteratur, forskerne landede på paraffin, den almindelige hvidlige, gennemskinnelig voks brugt til stearinlys, polere, og vandtætte belægninger, blandt andre applikationer.

I simuleringer før test, Buehlers gruppe, som studerer materialers egenskaber, fandt ingen kendte reaktioner mellem paraffin og grafen. Det skyldes paraffins meget simple kemiske struktur. "Voks var så perfekt til dette offerlag. Det er bare simple kulstof- og brintkæder med lav reaktivitet, sammenlignet med PMMAs komplekse kemiske struktur, der binder til grafen, " siger Leong.

Renere overførsel

I deres teknik, forskerne smeltede først små stykker af paraffinen i en ovn. Derefter, ved hjælp af en spincoater, en mikrofabrikationsmaskine, der bruger centrifugalkraft til ensartet at sprede materiale hen over et substrat, de tabte paraffinopløsningen på et ark grafen dyrket på kobberfolie. Dette spreder paraffinen i et beskyttende lag, omkring 20 mikron tyk, på tværs af grafen.

Forskerne overførte den paraffinbelagte grafen til en opløsning, der fjerner kobberfolien. Den belagte grafen blev derefter flyttet til et traditionelt vandkar, som blev opvarmet til omkring 40 grader celsius. De brugte et siliciumdestinationssubstrat til at øse grafenen op fra neden og bagte i en ovn indstillet til samme temperatur.

Fordi paraffin har en høj termisk udvidelseskoefficient, det udvider sig ret meget ved opvarmning. Under denne varmestigning, paraffinen udvider sig og strækker den vedhæftede grafen nedenunder, effektivt reducerer rynker. Endelig, forskerne brugte en anden opløsning til at vaske paraffinen væk, efterlader et monolag af grafen på destinationssubstratet.

I deres papir, forskerne viser mikroskopiske billeder af et lille område af den paraffin-coatede og PMMA-coatede grafen. Paraffinbelagt grafen er næsten helt fri for snavs, hvorimod den PMMA-belagte grafen ser stærkt beskadiget ud, som et ridset vindue.

Fordi voksbelægning allerede er almindelig i mange fremstillingsapplikationer - såsom påføring af en vandtæt belægning på et materiale - mener forskerne, at deres metode let kan tilpasses til virkelige fremstillingsprocesser. Især stigningen i temperatur for at smelte voksen bør ikke påvirke fremstillingsomkostninger eller effektivitet, og varmekilden kunne i fremtiden udskiftes med et lys, siger forskerne.

Næste, forskerne sigter mod yderligere at minimere de rynker og forurenende stoffer, der er tilbage på grafenen, og opskalere systemet til større ark grafen. De arbejder også på at anvende overførselsteknikken til fremstillingsprocesser af andre 2-D materialer.

"Vi vil fortsætte med at dyrke de perfekte store 2-D-materialer, så de kommer naturligt uden rynker, " siger Leong.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.