211service.com
Größeres, dehnbareres Graphen
Koreanische Forscher haben einen Weg gefunden, große Graphenfilme herzustellen, die sowohl stark als auch dehnbar sind und die bisher besten elektrischen Eigenschaften aufweisen. Diese atomdicken Kohlenstoffschichten sind ein vielversprechendes Material für die Herstellung flexibler, durchsichtiger Elektroden und Transistoren für Flachbildschirme. Graphen könnte auch zu faltbaren organischen Leuchtdioden (OLED)-Displays und organischen Solarzellen führen. Es war jedoch nicht einfach, einen Weg zu finden, große, hochwertige Graphenplatten herzustellen.
Groß und biegsam: Eine transparente Graphenfolie, zwei Zentimeter auf jeder Seite, dehnt und biegt sich, wenn sie auf einen Stempel übertragen wird. Der Stempel kann verwendet werden, um den Film auf jedem Substrat abzulegen.
Forscher der Sungkyunkwan University und des Samsung Advanced Institute of Technology in Suwon, Korea, haben zentimeterbreite Graphenfolien hergestellt, die zu 80 Prozent transparent sind und sich biegen und dehnen lassen, ohne zu brechen oder ihre elektrischen Eigenschaften zu verlieren. Andere haben mit einfacheren Techniken große Graphenfilme hergestellt, aber die neuen Filme sind 30-mal leitfähiger. Zudem lassen sich die neuen Folien einfach auf unterschiedliche Substrate übertragen. Wir haben gezeigt, dass Graphen eines der besten Materialien für dehnbare transparente Elektronik ist, sagt Byung Hee Hong , der die Arbeit leitete, die in . veröffentlicht wird Natur .
Graphen ist ein ausgezeichneter Leiter und transportiert Elektronen zehnmal schneller als Silizium. Es könnte die spröden Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Elektroden ersetzen, die derzeit in Displays, organischen Solarzellen und Touchscreens verwendet werden. Graphen-Transistoren könnten auch Silizium-Dünnschichttransistoren ersetzen, die nicht transparent und auf Kunststoff schwer herzustellen sind.
Der einfachste Weg, um winzige Flocken aus hochwertigem Graphen herzustellen, besteht darin, Graphenschichten von Graphit abzuschälen (was im Wesentlichen nur ein Stapel von Graphenblättern ist). Letztes Jahr hat eine Gruppe unter der Leitung des Professors für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften der Rutgers University Manish Chowalla entwickelte ein Verfahren zur Herstellung von zentimetergroßen Stücken für praktische Anwendungen. Die Forscher lösten Graphitoxid in Wasser auf, wodurch eine Suspension einzelner Graphenoxid-Schichten entstand, die sie auf einem flexiblen Substrat abschieden.
Die koreanischen Forscher verwenden eine Methode namens Chemical Vapour Deposition. Zuerst scheiden sie eine 300 Nanometer dicke Nickelschicht auf einem Siliziumsubstrat ab. Anschließend erhitzen sie dieses Substrat in Gegenwart von Methan auf 1.000 °C und kühlen es dann schnell auf Raumtemperatur ab. Zurück bleiben Graphenfilme mit sechs bis zehn Graphenschichten auf dem Nickel. Durch Strukturieren der Nickelschicht können die Forscher strukturierte Graphenfilme erzeugen.
Andere, wie der Professor für Elektrotechnik am MIT Jing Kong , arbeiten daran ähnliche Ansätze um große Graphenstücke herzustellen. Die koreanischen Forscher sind jedoch noch einen Schritt weiter gegangen und haben die Filme bei gleichbleibend hoher Qualität auf flexible Substrate übertragen. Die Übertragung erfolgt auf zwei Arten. Eine besteht darin, das Nickel in einer Lösung wegzuätzen, so dass der Graphenfilm auf seiner Oberfläche schwimmt und bereit ist, auf jedem Substrat abgeschieden zu werden. Ein einfacherer Trick besteht darin, den Film mit einem Stempel zu übertragen.
Physikprofessor an der Columbia University Philip Kim , der Mitautor des neuen Papiers ist, sagt, dass die chemische Gasphasenabscheidung eine der billigsten Möglichkeiten ist, qualitativ hochwertiges Graphen im großen Maßstab herzustellen, und mit bestehenden Halbleiterfertigungstechnologien kompatibel sein sollte. Im Moment können die Forscher 10-Zoll-Stücke herstellen, aber Hong sagt, dass sie den Prozess leicht skalieren könnten.
Die neuen Graphenfolien seien weniger defekt als die in der Vergangenheit hergestellten, sagt Hong, deshalb seien sie etwa 30-mal leitfähiger und hätten eine etwa 20-mal höhere Beweglichkeit als bisherige Graphenfolien. Die Leitfähigkeit ist für einige Einstiegsanwendungen in kleinen LCD-Displays und Touch-Panel-Displays ausreichend, sagt Um Kontakt mit Yang aufzunehmen , Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften an der University of California, Los Angeles. Um ITO in organischen Solarzellen und OLEDs zu ersetzen, müsste die Leitfähigkeit jedoch noch um das Zehnfache verbessert werden.
Viele andere Materialien werden für transparente, biegsame Elektronik in Betracht gezogen. Kohlenstoff-Nanoröhrchen könnten ein harter Konkurrent sein. Forscher machen beispielsweise Fortschritte bei der Entwicklung flexibler Nanoröhren-Transistoren und Unidym , mit Sitz in Menlo Park, Kalifornien, wird in Kürze mit dem Verkauf von Nanotube-beschichteten Kunststofffolien beginnen, die anstelle von ITO-Beschichtungen auf Displays verwendet werden könnten.
Andere haben flexible, durchsichtige Transistoren mit Indiumoxidbeschichtungen oder Zinkoxid- und Indiumoxid-Nanodrähten hergestellt. Inzwischen haben Forscher der University of Michigan transparente Elektroden aus einem Gitter aus sehr dünnen Metalldrähten hergestellt.
Der Vorteil von Graphen könnte seine außergewöhnliche Festigkeit und hohe Mobilität sein (voraussichtlich doppelt so hoch wie bei Nanoröhren). Tao He, Graphenforscher an der Rice University, sagt, dass die Leitfähigkeits- und Mobilitätswerte der neuen Filme beeindruckend sind. Ich habe keine [andere Arbeit] gesehen, die dieser ähnelt oder vergleichbar ist, sagt er und fügt hinzu, dass die neue Arbeit eine kostengünstige Herstellung flexibler Graphenelektronik in großem Maßstab ermöglichen könnte.