211service.com
Hvordan man laver grafen
Grafen - et fladt enkelt lag af kulstofatomer - kan transportere elektroner med bemærkelsesværdige hastigheder, hvilket gør det til et lovende materiale til elektroniske enheder. Indtil for nylig havde forskere kun været i stand til at lave små flager af materialet, og kun i små mængder. Rutgers University-forskere har dog udviklet en nem måde at lave gennemsigtige grafenfilm, der er et par centimeter brede og en til fem nanometer tykke.
Fleksibel proces: En ny fremstillingsmetode udviklet af forskere ved Rutgers University kan afsætte en film af grafen - et atomtykt ark af kulstof - på næsten ethvert underlag, inklusive den fleksible plastik vist her. Filmene kunne bruges i tyndfilmstransistorer eller som ledende elektroder til organiske solceller.
Tynde film af grafen kunne være en billig erstatning for de gennemsigtige, ledende indiumtinoxidelektroder, der bruges i organiske solceller. De kunne også erstatte silicium tyndfilm transistorer, der er almindelige i skærme. Grafen kan transportere elektroner titusinder gange hurtigere end silicium, så grafenbaserede transistorer kunne arbejde hurtigere og forbruge mindre strøm. (Se grafentransistorer og bedre grafentransistorer.)
Faktisk Rutgers materialevidenskab og ingeniørprofessor Manish Chhowalla og hans kolleger brugte deres grafenfilm til at lave prototypetransistorer og organiske solopkald. I en nylig Natur nanoteknologi papir , viste de, at de kan afsætte de gennemsigtige film på ethvert underlag, inklusive glas og fleksibel plast. Chhowalla siger, at metoden kunne tilpasses til en større skala til at belægge meter og meter af substrater med grafenfilm ved hjælp af roll-to-roll-behandling, en teknik, der udvikles til at lave store fleksible elektroniske kredsløb.
I modsætning hertil giver nuværende teknikker til fremstilling af grafen små mængder af materialet, der kun er egnet til eksperimentel brug. En almindelig teknik kaldes Scotch tape-metoden, hvor et stykke tape bruges til at pille grafenflager af en luns grafit, som i det væsentlige er en stak grafenplader. Dette resulterer i mikrometerstore grafenfragmenter, som placeres mellem elektroder for at lave en transistor. Men hvis du taler om enheder i stor skala, vil du gerne lave makroskopiske [ark], siger Hannes Schniepp , en grafenforsker ved Princeton University. Til det skal du guide samlingen af mindre grafenstykker over et stort område, siger Schniepp, hvilket er præcis, hvad Rutgers-forskerne gør.
Forskerne starter med at lave en suspension af grafenoxidflager. De oxiderer grafitflager med svovlsyre eller salpetersyre. Dette indsætter iltatomer mellem individuelle grafenplader og tvinger dem fra hinanden, hvilket resulterer i grafenoxidplader, som er suspenderet i vand.
Suspensionen filtreres gennem en membran, der har 25 nanometer brede porer. Vand passerer gennem porerne, men grafenoxidflagerne, som hver er et par mikrometer brede og omkring en nanometer tykke, dækker porerne. Dette sker på en reguleret måde, siger Chhowalla. Når en flage dækker en pore, ledes vandet til sine udækkede naboer, som igen bliver dækket, indtil flager fordeler sig over hele overfladen. Metoden giver dig mulighed for at deponere enkelte lag af grafen, siger Chhowalla. [Det] resulterer i en næsten ensartet film aflejret på membranen. Forskerne placerer den filmbelagte side af membranen på et underlag, såsom glas eller plastik, og vasker membranen væk med acetone. Til sidst udsætter de filmen for et kemikalie kaldet hydrazin, som omdanner grafenoxidet til grafen.
James Tour , en kemiprofessor ved Rice University, siger, at dette bestemt er den nemmeste metode, jeg har set til at lave [grafen tynde film] over store områder. Han mener, at processen sagtens kunne konverteres til en større, kommerciel produktionsteknik. Det er meget egnet til hurtig produktion, siger han. Der skal ikke meget til at få disse ting produceret ... og dække store områder.
Chhowalla og hans kolleger styrer tykkelsen af filmen ved at ændre suspensionens volumen. Et volumen på 20 milliliter resulterer i en film, der for det meste er en til to nanometer i tykkelse, mens en 80-milliliter suspension resulterer i film, der hovedsageligt er tre til fem nanometer tyk. De tyndere film er 95 procent gennemsigtige. Forskerne har brugt filmene som de gennemsigtige elektroder i organiske solceller. De har også lavet transistorer ved at placere deres film på et siliciumsubstrat og afsætte guldelektroder på dem.
Grafenfilmene har brug for meget mere arbejde. Lige nu bærer transistorerne ikke så meget strøm som dem, der er lavet af individuelle grafenflager, hvilket forskerne spekulerer på skyldes overlappende flager i deres film. For transistorer af høj kvalitet skal de lave enkeltlags grafenfilm uden overlap. De skal også forbedre ledningsevnen af deres film: indiumtinoxid er stadig hundredvis af gange mere ledende. Organiske solceller med indiumtinoxidelektroder er mellem 3 procent og 5 procent effektive. Med tyndfilmselektroder af grafen får vi 0,1 procent, siger Chhowalla, men disse er proof-of-concept-enheder og vil selvfølgelig forbedres med tiden.
Tour mener, at filmen lover mere for organiske solceller end for transistorer. Mange forskere studerer også kulstof nanorørfilm som en måde at erstatte indiumtinoxidbelægninger på solceller. Men Tour siger, at grafen muligvis ville være lettere end at bruge kulstofnanorør på grund af materialets større tilgængelighed. Industrien kan også finde det lettere at adoptere grafen på grund af de bekymringer, som nogle mennesker har om virkningerne af kulstofnanorør på miljøet.