Materiale til fremtidens elektronik:Ny metode gør grafen nanobånd nemmere at fremstille

Russiske forskere har foreslået en ny metode til at syntetisere højkvalitets grafen nanobånd - et materiale med potentiale for anvendelse i fleksibel elektronik, solceller, LED'er, lasere, og mere. Præsenteret i Journal of Physical Chemistry C , den oprindelige tilgang til kemisk dampaflejring, giver et højere udbytte til en lavere pris, sammenlignet med den aktuelt anvendte nanobånd-selvsamling på ædelmetalsubstrater.

Siliciumbaseret elektronik nærmer sig støt deres grænser, og man spekulerer på, hvilket materiale der kunne give vores enheder det næste store skub. grafen, det 2-D ark af carbonatomer, kommer til at tænke på, men for alle dets berømte elektroniske egenskaber, den har ikke, hvad der skal til:I modsætning til silicium, grafen har ikke evnen til at skifte mellem en ledende og en ikke-ledende tilstand. Denne definerende egenskab ved halvledere som silicium er afgørende for at skabe transistorer, som ligger til grund for al elektronik.

Imidlertid, når du skærer grafen i smalle bånd, de får halvledende egenskaber, forudsat at kanterne har den rigtige geometri, og der ikke er strukturelle fejl. Sådanne nanobånd er allerede blevet brugt i eksperimentelle transistorer med rimelig gode egenskaber, og materialets elasticitet betyder, at enhederne kan gøres fleksible. Selvom det er teknologisk udfordrende at integrere 2-D materialer med 3-D elektronik, der er ingen grundlæggende grunde til, at nanobånd ikke kunne erstatte silicium.

En mere praktisk måde at få grafen nanobånd på er ikke ved at skære grafenplader eller nanorør op, men omvendt, ved at vokse materialet atom for atom. Denne tilgang er kendt som bottom-up syntese, og i modsætning til dens top-down modstykke, det giver strukturelt perfekt, og derfor teknologisk nyttig, nanobånd. Den i øjeblikket dominerende metode til bottom-up syntese, kendt som selvmontering, er dyrt og vanskeligt at skalere op til industriel produktion, så materialeforskere søger alternativer til det.

"Graphene nanobånd er et materiale, hvis egenskaber er af interesse for grundlæggende videnskab og lover anvendelse i alle mulige futuristiske enheder. standardteknikken til dens syntese har nogle ulemper, " forklarede Pavel Fedotov, en seniorforsker ved MIPT Laboratory of Nanocarbon Materials. "At opretholde ultrahøjt vakuum og bruge et guldsubstrat er meget dyrt, og outputtet af materiale er forholdsvis lavt."

"Mine kolleger og jeg har foreslået en alternativ måde at syntetisere atomisk fejlfri nanobånd på. Ikke kun fungerer det under normalt vakuum og med det meget billigere nikkelsubstrat, udbyttet stiger i kraft af, at nanobåndene produceres som flerlagsfilm, frem for individuelt. For at adskille disse film i monolagsbånd, de sættes i suspension, " fortsatte forskeren. "Vigtigt, intet af det går på kompromis med kvaliteten af ​​materialet. Vi bekræftede fraværet af defekter ved at opnå de passende Raman-spredningsprofiler og observere fotoluminescens af vores nanobånd."

Grafen nanobånd findes i forskellige typer, og dem, som de russiske videnskabsmænd fremstillede ved hjælp af deres originale kemiske dampudfældningsteknik, har strukturen afbildet til højre i figuren. De er syv atomer brede og har kanter, som man fandt, der minder om en lænestol, deraf navnet:7-A grafen nanobånd. Denne type nanobånd har de halvledende egenskaber værdifulde for elektronik, i modsætning til sin 7-Z fætter med zigzag kanter (vist til venstre), som opfører sig som et metal.

Syntesen sker i et lufttæt glasrør, der er evakueret til en milliontedel af standardatmosfærisk tryk, som stadig er 10, 000 gange højere end det ultrahøje vakuum, der normalt kræves til selvsamling af nanobånd. Det oprindelige reagens, der anvendes, er et fast stof, der indeholder kulstof, brint, og brom og kendt som DBBA. Den placeres i røret med en nikkelfolie, forglødet ved 1, 000 grader Celsius for at fjerne oxidfilm. Glasrøret med DBBA udsættes derefter for varmebehandling i flere timer i to trin:først ved 190 C, derefter ved 380 C. Den første opvarmning fører til dannelsen af ​​lange polymermolekyler, og i anden fase, de omdannes til nanobånd med atomisk præcis struktur, tæt pakket i film, der er op til 1, 000 nanometer tyk.

Efter at have fået filmene, forskerne suspenderede dem i en opløsning og udsatte dem for ultralyd, at bryde de flerlags "stabler" op i et-atom-tykke kulstof nanobånd. De anvendte opløsningsmidler var chlorbenzen og toluen. Tidligere eksperimenter viste, at disse kemikalier er optimale til at suspendere nanobånd på en stabil måde, forhindrer aggregering tilbage i stakke og forekomsten af ​​strukturelle defekter. Nanoribbon kvalitetskontrol blev også udført i suspension, via optiske metoder:Analysen af ​​Raman-spredning og fotoluminescensdata bekræftede, at materialet ikke havde nogen væsentlige defekter.

Fordi den nye synteseteknologi til fremstilling af fejlfri flerlags 7-A carbon nanobånd er forholdsvis billig og nem at skalere op, det er et vigtigt skridt i retning af at introducere dette materiale i storskalaproduktionen af ​​elektroniske og optiske enheder, som i sidste ende ville overgå dem, der eksisterer i dag.

"Erfaringen viser, at når først et nyt kulstofmateriale er opdaget, det betyder nye egenskaber og nye applikationer. Og grafen nanobånd var ikke anderledes, "lederen af ​​MIPT Laboratory of Nanocarbon Materials, Elena Obraztsova husket. "I første omgang, nanobånd blev syntetiseret inde i enkeltvæggede kulstof nanorør, som tjente til at begrænse båndbredden. Det var på disse indlejrede nanobånd, at luminescens oprindeligt blev demonstreret, med dens parametre, der varierer med nanorørs geometri."

"Vores nye tilgang - bottom-up kemisk dampaflejring - gør det muligt at producere ultrasmalle grafenbånd i store mængder og under forholdsvis milde forhold:moderat vakuum, nikkel substrat. Det resulterende materiale udviser lys excitonisk fotoluminescens. Det er lovende for mange anvendelser inden for ikke-lineær optik, som vi vil forfølge, " tilføjede forskeren.