Ny form for kulstof frister med perspektiver for elektronik

En nyskabt form for kulstof i en maske på kun et atom tyk frister videnskabsmænd med hints om, at det kan forbedre genopladelige batterier markant og tillade ledninger så små, at de kan fungere i en skala, hvor metaller svigter. Materialet, kendt som biphenylen netværk, er stærkt ledende og kan vise sig i stand til at lagre mere elektrisk energi end selv grafen, det atomare tykkelse carbon honeycomb materiale identificeret for næsten 20 år siden.

I maj, videnskabsmænd meddelte, at de har været i stand til at skræddersy arrangementet af kulstofatomer til et net, der for første gang, omfatter sekskanter, firkanter og ottekanter, samtidig med at det sikres, at materialet stadig kun er et atom tykt.

Det nye geometriske arrangement i to dimensioner tilføjer listen over kulstofstrukturer - eller allotroper - såsom grafit, diamant og grafen. Men videnskabsmænd har fundet ud af, at den har meget forskellige elektroniske egenskaber. Det giver mening at sammenligne det nye materiale med grafen, hvor kulstofatomer binder sig i et enkelt lag af sekskanter for at danne et net med forbløffende elektriske og termiske egenskaber, samt fremragende mekanisk styrke, og alligevel er meget gennemsigtig.

Laboratorieundersøgelser af det nye materiale ved University of Marburg i Tyskland og Aalto University i Finland har fundet ud af, at biphenylen-netværksbånd med et par atomer bred opfører sig elektrisk som et metal. Det giver et hint om, at materialet kan udvikles til at lave ledende ledninger i kulstofbaserede elektroniske kredsløb.

"Hvis du tager grafen nanobånd med samme bredde, så er de typisk halvledere, og denne biphenylen er lettere et metal, sagde Peter Liljeroth, professor ved afdelingen for anvendt fysik ved Aalto Universitet. Det kunne gøre materialet nyttigt som en nanoskala-leder i fremtidige elektroniske enheder, han tilføjede. Han og hans team gjorde deres resultater ved hjælp af en billeddannelsesteknik kaldet scanning tunneling spektroskopi for at undersøge strimler af biphenylen netværk op til 21 atomer brede. Disse bånd blev lavet af prof. Michael Gottfrieds gruppe i den fysisk-kemiske afdeling på Philipps-Universität Marburg, i Tyskland.

Marburg-teamet udviklede synteseruten for dette materiale. De lavede molekylære kæder indeholdende kulstof i specifikke arrangementer, der samles på en ultraglat, ikke-reaktiv guldoverflade. Og så et andet trin - kaldet HF-zipping - kæder kæderne sammen for at danne biphenylen-netværksstrimlerne.

Elektrisk potentiale

At analysere prøver i større skala kunne hjælpe med at vise, om en biphenylenanode kunne øge effektiviteten af ​​lithium-ion-batterier, almindeligt anvendt i mobiltelefoner og elektriske køretøjer. "Hvis du har bulk- eller flerlagsbiphenylen... så er der teoretiske forudsigelser om, at lithiumlagringskapaciteten burde være højere, meget højere, end for grafen, " sagde Dr. Liljeroth.

Hvis bekræftet, det ville gøre materialet enormt attraktivt i genopladelige batterier. Men prof. Liljeroth understreger, at der er meget lang vej igen, før sådanne egenskaber potentielt kan udnyttes i industrielle eller forbrugeranvendelser.

En udfordring ved fremstilling af bulkbiphenylen er at øge nøjagtigheden af ​​synteseprocessen med at lyne sammen strimler eller bånd af biphenylen af ​​tilstrækkelig kvalitet til at danne større ark, uden at dele af materialet misligholder grafen, da kulstofatomerne aggregerer og binder.

Mens Aalto-forskerne kunne identificere de elektriske egenskaber af materialet fra Marburg, andre karakteristika ved biphenylen-netværk forbliver uudforskede. Der er stadig brug for forskning for at fastgøre dets mekaniske, termiske og optiske kvaliteter. At gøre det, det ville hjælpe at have større prøver.

Carbon ledninger

De bekræftede metalliske ledende egenskaber peger allerede på muligheden for at lede ledninger til elektronik i den mindste skala.

Ledninger lavet af metaller såsom kobber nedbrydes typisk ved atomtykkelse gennem en proces med elektromigrering - hvor bevægelige elektroner kan fortrænge atomer og beskadige ledningerne, som bliver ustabile og til sidst går i stykker.

Et materiale som biphenylene netværk kunne hjælpe med at undgå disse vanskeligheder i elektroniske kredsløb, arbejder som et metal i ledende elektroner, men uden ulemperne. Det ville give mere stabile ledere, tillader mindre ledninger at blive brugt i nanoskala elektronik.

"Dette er et af de problemer, der skal overvindes eller løses, og kulstofbaserede materialer er ret gode i denne henseende, " sagde prof. Liljeroth.

Men han tilføjede en klar advarsel:"Der er mange, mange trin imellem nu og faktisk at bruge dette i en mikroprocessor."

Disse egenskaber, og andre endnu ikke identificeret, kunne give rige felter til efterforskning og udvikling, ligesom den nye måde at fremstille selve biphenylen-netværket på.

Prof. Liljeroth understregede potentialet for HF-zipping-tilgangen, som Prof. Gottfrieds team brugte til at lave en række andre kulstofstrukturer.

Marburg-teamet brugte kulstofbaserede prækursorkemikalier indeholdende brint og fluor til at "zip" sammen forskellige atomare kulstofkæder. I stedet for at misligholde grafen - den mest grundlæggende form på overfladen - involverede det ekstra trin kemisk at skræddersy kanterne af båndene, der lynes sammen for at danne biphenylen-netværket.

"Det, jeg håber, kommer ud af dette arbejde, er, at folk begynder at tænke på denne form for HF-zip-proces for at lave nye materialer, (så) du kan starte med det samme koncept, tweak forstadierne og ender med endnu et 2D-kulstofnetværk, " tilføjede prof. Liljeroth.

Da materialet hidtil er blevet produceret på en guldoverflade, en anden udfordring er at perfektionere overførslen af ​​biphenylen-netværket fra metallet. Det er en opgave, hvor forskerne kan drage erfaringer fra arbejdet med grafen - et materiale, hvor det igangværende arbejde også giver nogle andre tips til udvikling af biphenylen-netværk.

"Jeg vil sige, at der er et stort potentiale... nu hvor de har vist, at disse strukturer er gennemførlige, de er stabile, i det mindste under disse forhold, " sagde professor Roman Fasel, der leder nanotech@surfaces-laboratoriet ved de schweiziske føderale laboratorier for materialevidenskab og teknologi (EMPA) og ikke var involveret i forskningen.

"Det her bliver virkelig udfordrende at skalere op, " han sagde, men tilføjede, at arbejdet med grafen havde vist, at det var muligt at gå fra de mindste pletter af materiale til brugbare skalaer.

"En retning er at optimere syntesen for at opnå et stort 2D-netværk, lad os sige for elektroder og den slags, men den anden ville være at finde en måde at lave veldefinerede nanobånd - så kun 1-D varianten af ​​materialet, " han sagde.

En af de største udfordringer, som biphenylen står over for, er at identificere egenskaber, der gør det til et oplagt valg til fremtidige applikationer - kendt i computertermer som en 'dræber-app' - hvor det er langt bedre end konkurrenterne, samt nemmere og billigere at lave.

Trods alt, folk har arbejdet på grafen i næsten to årtier, og selvom det udviser mange fremragende egenskaber og har fundet anvendelse i maling og belægninger, mikroelektronik og transparente ledere – såvel som at blive brugt i tennisketchere og blæk – har det ikke fuldstændig revolutioneret noget bestemt område.

"I nogle tilfælde, et nyt materiale åbner op for noget, der simpelthen ikke var muligt at gøre med den eksisterende teknologi, og så kan det bryde hurtigere igennem, " sagde prof. Liljeroth. "Men jeg ved ikke med biphenylen - det må vi se på."