211service.com
Jak zrobić grafen
Grafen – płaska pojedyncza warstwa atomów węgla – może transportować elektrony z niezwykłą prędkością, co czyni go obiecującym materiałem do urządzeń elektronicznych. Do niedawna naukowcy byli w stanie wytwarzać tylko małe płatki materiału i tylko w niewielkich ilościach. Jednak naukowcy z Rutgers University opracowali łatwy sposób na wytwarzanie przezroczystych filmów grafenowych o szerokości kilku centymetrów i grubości od jednego do pięciu nanometrów.
Elastyczny proces: Nowa metoda wytwarzania opracowana przez naukowców z Rutgers University może osadzić warstwę grafenu – arkusz węgla o grubości atomu – na prawie każdym podłożu, w tym na pokazanym tutaj elastycznym plastiku. Folie mogą być stosowane w tranzystorach cienkowarstwowych lub jako elektrody przewodzące w organicznych ogniwach słonecznych.
Cienkie warstwy grafenu mogą stanowić tani zamiennik przezroczystych, przewodzących elektrod z tlenku indowo-cynowego stosowanych w organicznych ogniwach słonecznych. Mogłyby również zastąpić cienkowarstwowe tranzystory krzemowe, powszechnie stosowane w ekranach wyświetlaczy. Grafen może transportować elektrony dziesiątki razy szybciej niż krzem, więc tranzystory na bazie grafenu mogą działać szybciej i zużywać mniej energii. (Zobacz Tranzystory grafenowe i lepsze tranzystory grafenowe .)
W rzeczywistości, profesor materiałoznawstwa i inżynierii Rutgers Manish Chhovalla a jego koledzy wykorzystali swoje filmy grafenowe do stworzenia prototypów tranzystorów i organicznych ogniw słonecznych. W ostatnich Natura Nanotechnologia papier wykazali, że mogą nanosić przezroczyste folie na dowolne podłoże, w tym szkło i elastyczne tworzywa sztuczne. Chhowalla twierdzi, że metodę można by przystosować do większej skali, aby powlekać metry i metry substratów filmami grafenowymi, wykorzystując przetwarzanie roll-to-roll, technikę opracowywaną do wytwarzania dużych elastycznych obwodów elektronicznych.
W przeciwieństwie do tego, obecne techniki wytwarzania grafenu dają niewielkie ilości materiału, nadające się tylko do użytku eksperymentalnego. Jedna popularna technika nazywana jest metodą taśmy samoprzylepnej, w której kawałek taśmy jest używany do oderwania płatków grafenu z kawałka grafitu, który jest zasadniczo stosem arkuszy grafenowych. W wyniku tego powstają fragmenty grafenu wielkości mikrometrów, które są umieszczane między elektrodami w celu utworzenia tranzystora. Ale jeśli mówisz o urządzeniach o dużej skali, chcesz robić makroskopowe [arkusze], mówi Hannes Schniepp , badacz grafenu na Uniwersytecie Princeton. W tym celu musisz poprowadzić montaż mniejszych kawałków grafenu na dużym obszarze, mówi Schniepp, i dokładnie to robią naukowcy z Rutgers.
Naukowcy zaczynają od przygotowania zawiesiny płatków tlenku grafenu. Utleniają płatki grafitu kwasem siarkowym lub azotowym. Powoduje to wstawienie atomów tlenu pomiędzy poszczególne arkusze grafenu i oddzielenie ich od siebie, w wyniku czego powstają arkusze tlenku grafenu, które są zawieszone w wodzie.
Zawiesina jest filtrowana przez membranę z porami o szerokości 25 nanometrów. Woda przepływa przez pory, ale płatki tlenku grafenu, z których każdy ma kilka mikrometrów szerokości i około jednego nanometra grubości, pokrywają pory. Dzieje się to w sposób regulowany, mówi Chhovalla. Gdy płatek zakrywa por, woda kierowana jest do jego odsłoniętych sąsiadów, którzy z kolei zakrywają się, aż płatki rozprowadzą się na całej powierzchni. Metoda pozwala na osadzanie pojedynczych warstw grafenu – mówi Chhovalla. [To] powoduje, że na membranie osadza się prawie jednorodny film. Naukowcy umieszczają stronę membrany pokrytą folią na podłożu, takim jak szkło lub plastik, i zmywają membranę acetonem. Na koniec wystawiają film na działanie substancji chemicznej zwanej hydrazyną, która przekształca tlenek grafenu w grafen.
James Tour , profesor chemii na Rice University, mówi, że jest to z pewnością najłatwiejsza metoda, jaką widziałem przy robieniu [cienkich warstw grafenu] na dużych obszarach. Uważa, że proces ten można łatwo przekształcić w większą technikę produkcyjną na skalę komercyjną. Mówi, że jest bardzo podatny na szybką produkcję. Wyprodukowanie tych rzeczy nie zajmie dużo czasu… i pokryją duże obszary.
Chhovalla i jego koledzy kontrolują grubość folii, zmieniając objętość zawiesiny. Objętość 20 mililitrów daje folię, która ma przeważnie grubość od jednego do dwóch nanometrów, podczas gdy zawiesina 80 mililitrów daje folie o grubości głównie trzech do pięciu nanometrów. Cieńsze folie są w 95% przezroczyste. Naukowcy wykorzystali folie jako przezroczyste elektrody w organicznych ogniwach słonecznych. Stworzyli również tranzystory, umieszczając ich folie na podłożu krzemowym i umieszczając na nich złote elektrody.
Folie grafenowe wymagają dużo więcej pracy. Obecnie tranzystory nie przenoszą tak dużego prądu, jak te wykonane z pojedynczych płatków grafenu, co, jak przypuszczają naukowcy, wynika z nakładania się płatków w ich filmach. W przypadku tranzystorów wysokiej jakości będą musieli wykonać jednowarstwowe filmy grafenowe bez nakładania się. Muszą także poprawić przewodność swojej folii: tlenek indu i cyny jest wciąż setki razy bardziej przewodzący. Organiczne ogniwa słoneczne z elektrodami z tlenku indowo-cynowego mają wydajność od 3% do 5%. Z cienkowarstwowymi elektrodami grafenowymi otrzymujemy 0,1 procent, mówi Chhovalla, ale są to urządzenia sprawdzające koncepcję i oczywiście z czasem będą się poprawiać.
Tour uważa, że film jest bardziej obiecujący dla organicznych ogniw słonecznych niż dla tranzystorów. Wielu badaczy bada również folie z nanorurek węglowych jako sposób na zastąpienie powłok z tlenku indowo-cynowego na ogniwach słonecznych. Ale Tour mówi, że grafen byłby prawdopodobnie łatwiejszy niż użycie nanorurek węglowych ze względu na większą dostępność materiału. Przemysł może również uznać za łatwiejsze przyjęcie grafenu ze względu na obawy niektórych osób dotyczące wpływu nanorurek węglowych na środowisko.