Enklere grafenmetode baner vej for en ny æra med nanoelektronik

Lige siden dets opdagelse i 2004 har grafen fået opmærksomhed på grund af dets ekstraordinære egenskaber, blandt andet dets ekstremt høje bærermobilitet. Imidlertid er den høje transportørmobilitet kun blevet observeret ved brug af teknikker, der kræver komplekse og dyre fremstillingsmetoder. Nu rapporterer forskere på Chalmers om en overraskende høj ladningsbærermobilitet af grafen ved hjælp af meget billigere og enklere metoder.

"Dette fund viser, at grafen overført til billige og fleksible substrater stadig kan have en kompromisløs høj mobilitet, og det baner vejen for en ny æra af grafen nanoelektronik," siger Munis Khan, forsker ved Chalmers University of Technology.

Grafen er det et-atom-tykke lag af kulstofatomer, kendt som verdens tyndeste materiale. Materialet er blevet et populært valg i halvleder-, bil- og optoelektronisk industri på grund af dets fremragende elektriske, kemiske og materialeegenskaber. En sådan egenskab er dens ekstremt høje transportørmobilitet.

"I faststoffysik karakteriserer elektronbærermobiliteten, hvor hurtigt en elektron kan bevæge sig gennem et metal eller en halvleder, når den trækkes af et elektrisk felt. Grafens høje elektronmobilitet peger på et stort potentiale for bredbåndskommunikation og højhastighedselektronik, der opererer kl. terahertz-omskiftningshastigheder. Derudover gør de andre materialeegenskaber, såsom høj kemisk stabilitet, fremragende gennemsigtighed og elektrisk følsomhed over for biokemikalier, det til et lovende materiale til skærme, lysindsamlingsudstyr og biosensorer," siger Munis Khan.

Imidlertid observeres den ekstremt høje bærermobilitet i grafen enten i mekanisk eksfolieret grafen, en proces, der mangler industriel skalerbarhed, eller grafenenheder fremstillet på hexagonal bornitrid. Sådanne høje mobiliteter er også blevet observeret ved at overføre grafen dyrket ved en proces kaldet kemisk dampaflejring (CVD) til kompleksoxid-heterostrukturer. Alle disse teknikker kræver komplekse og dyre fremstillingsmetoder, hvilket ikke kun gør det dyrere, men også hindrer masseproduktion af sådanne enheder.

Billigere grafen med høj transportørmobilitet

Nu rapporterer Munis Khan og hans kolleger om en overraskende høj ladningsbærer-mobilitet af CVD-grafen dyrket på upoleret kobberfolie og overført til EVA/PET-lamineringsfolie ved at bruge en almindelig kontorlaminator og vådætsning af kobber. Mobiliteten steg op til otte gange efter blot at have holdt grafen-på-plast-sandwichen ved 60 C i et par timer.

"Dette fund viser, at selv billige og fleksible grafenenheder stadig kan have en kompromisløs høj mobilitet," siger Munis Khan. "Vores artikel foreslår en ligetil metode til at fremstille billige grafenenheder på fleksible substrater med høj bærermobilitet, sandsynligvis kun begrænset af CVD-processen og kobberets renhed."

CVD-grafen, der overføres til EVA/PET, bliver intenst udforsket og undersøgt for fleksibel og strækbar elektronik, især i formtilpassede systemer såsom bærbare energihøstanordninger, elektronisk hud og bærbare elektroniske enheder, som har brug for høj fleksibilitet og strækbarhed. Konventionelle halvledere mangler de overlegne mekaniske egenskaber, som grafen besidder, hvilket gør dem uegnede til sådanne anvendelser - ofte kræves der meget ledende fleksible grafenfilm med høj bærermobilitet.

"Vores observation vil faktisk øge omfanget af sådanne fleksible grafenfilm på dette område. Dette kunne også indlede den nye æra af fleksibel elektronik. Anvendelser, der kræver stærkt ledende tynde film, kan nu realiseres ved en overkommelig og enkel metode som foreslået i vores artikel. I vores forskningsgruppe agter vi faktisk at bruge sådanne grafenfilm til fremstilling af ekstremt følsomme biosensorer, terahertz-detektorer og højfrekvente enheder, applikationer, der også kræver høj mobilitet. Udfordringen bliver at integrere mikrofremstillingsteknikker for at lave enheder på fleksible substrater. sådanne problemer er løst, sandsynligvis inden for 2-3 år, kan vi begynde at bruge sådanne grafenfilm til at fremstille enheder til industriel brug," siger Munis Khan.

Om opdagelsen

Kemisk dampaflejring (CVD) af grafen på kommercielle kobber (Cu) folier giver en skalerbar vej mod højkvalitets enkeltlags grafen. CVD-metoden er baseret på gasformige reaktanter, der aflejres på et substrat. Grafenen dyrkes på en metallisk overflade som Cu, Pt eller Ir, hvorefter den kan adskilles fra metallet og overføres til specifikt nødvendige substrater. Processen kan ganske enkelt forklares som kulstofbærende gasser, der reagerer ved høje temperaturer (900-1100  grader Celsius) i nærværelse af en metalkatalysator, der både tjener som katalysator for nedbrydning af kulstofarten og som overflade for kernedannelse af grafengitteret.

Forskerne har opdaget, at CVD-grafen engang blev overført fra kobber til EVA/PET (almindelig lamineringspose) ved varmpresselaminering, oprindeligt viste lav bærermobilitet i et område fra 500-1000 cm ² /(V s). Men når sådanne film blev holdt ved 60 C i flere timer i en konstant strøm af nitrogen, steg mobiliteten otte gange og nåede 6000-8000 cm ² /(V s) ved stuetemperatur.

Forskningen blev offentliggjort i Nanomaterials . + Udforsk yderligere

Forskere fremmer grafenspintronik med 1D-kontakter for at forbedre mobiliteten i enheder i nanoskala