211service.com
Kaip pasidaryti grafeną
Grafenas – plokščias vienas anglies atomų sluoksnis – gali transportuoti elektronus nepaprastu greičiu, todėl tai yra perspektyvi medžiaga elektroniniams prietaisams. Dar visai neseniai mokslininkai iš medžiagos galėjo pagaminti tik nedidelius dribsnius ir tik nedideliais kiekiais. Tačiau Rutgerso universiteto mokslininkai sukūrė paprastą būdą, kaip padaryti skaidrias kelių centimetrų pločio ir nuo vieno iki penkių nanometrų storio grafeno plėveles.
Lankstus procesas: Rutgerso universiteto mokslininkų sukurtas naujas gamybos metodas gali nusodinti grafeno plėvelę – atomo storio anglies lakštą – ant beveik bet kokio pagrindo, įskaitant čia parodytą lankstų plastiką. Plėvelės gali būti naudojamos plonasluoksniuose tranzistoriuose arba kaip laidūs elektrodai organiniams saulės elementams.
Plonos grafeno plėvelės galėtų pigiai pakeisti skaidrius, laidžius indžio alavo oksido elektrodus, naudojamus organiniuose saulės elementuose. Jie taip pat galėtų pakeisti silicio plonasluoksnius tranzistorius, įprastus ekranuose. Grafenas gali transportuoti elektronus dešimtis kartų greičiau nei silicis, todėl grafeno pagrindu pagaminti tranzistoriai galėtų veikti greičiau ir sunaudoti mažiau energijos. (Žr. Grafeno tranzistoriai ir geresni grafeniniai tranzistoriai.)
Tiesą sakant, Rutgerso medžiagų mokslo ir inžinerijos profesorius Manish Chhowalla ir jo kolegos naudojo savo grafeno plėveles kurdami tranzistorių prototipus ir organinius saulės skambučius. Neseniai Gamtos nanotechnologijos popierius , jie parodė, kad gali nusodinti skaidrias plėveles ant bet kokio pagrindo, įskaitant stiklą ir lankstų plastiką. Chhowalla teigia, kad metodas galėtų būti pritaikytas didesniam mastui, kad būtų galima padengti metrus ir metrus substratų grafeno plėvelėmis, naudojant ritininį apdorojimą, kuris yra kuriamas didelėms lanksčioms elektroninėms grandinėms gaminti.
Priešingai, naudojant dabartinius grafeno gamybos metodus gaunamas nedidelis medžiagos kiekis, tinkamas tik eksperimentiniam naudojimui. Viena paplitusi technika vadinama Scotch tape metodu, kai juostos gabalas naudojamas grafeno drožlėms nuplėšti nuo grafito gabalo, kuris iš esmės yra grafeno lakštų krūva. Dėl to susidaro mikrometro dydžio grafeno fragmentai, kurie dedami tarp elektrodų, kad būtų sukurtas tranzistorius. Bet jei kalbate apie didelio masto įrenginius, norite padaryti makroskopinius [lapus], sako Hannesas Šniepas , Prinstono universiteto grafeno tyrinėtojas. Norėdami tai padaryti, turite vadovauti mažesnių grafeno gabalėlių surinkimui dideliame plote, sako Schniepp, o būtent tai daro Rutgers tyrinėtojai.
Tyrėjai pradeda gaminti grafeno oksido dribsnių suspensiją. Grafito dribsnius jie oksiduoja sieros arba azoto rūgštimi. Tai įterpia deguonies atomus tarp atskirų grafeno lakštų ir priverčia juos atskirti, todėl susidaro grafeno oksido lakštai, kurie yra suspenduoti vandenyje.
Suspensija filtruojama per membraną, kuri turi 25 nanometrų pločio poras. Vanduo praeina pro poras, tačiau grafeno oksido dribsniai, kurių kiekvienas yra kelių mikrometrų pločio ir maždaug vieno nanometro storio, padengia poras. Tai vyksta reguliuojamai, sako Chhowalla. Kai dribsniai uždengia poras, vanduo nukreipiamas į neuždengtus kaimynus, kurie savo ruožtu pasidengia, kol dribsniai pasiskirsto visame paviršiuje. Šis metodas leidžia nusodinti vienus grafeno sluoksnius, sako Chhowalla. [Dėl to] ant membranos nusėda beveik vienoda plėvelė. Tyrėjai deda plėvele dengtą membranos pusę ant pagrindo, pavyzdžiui, stiklo ar plastiko, ir nuplauna membraną acetonu. Galiausiai jie apšviečia plėvelę chemine medžiaga, vadinama hidrazinu, kuri grafeno oksidą paverčia grafenu.
Džeimso turas , Rice universiteto chemijos profesorius, sako, kad tai tikrai lengviausias mano matytas būdas [grafeno plonoms plėvelėms] dideliuose plotuose gaminti. Jis mano, kad šis procesas gali būti lengvai paverstas didesniu komercinio masto gamybos būdu. Jis sako, kad tai labai tinka greitai gamybai. Nereikės daug, kad šie dalykai būtų pagaminti… ir apimtų didelius plotus.
Chhowalla ir jo kolegos kontroliuoja plėvelės storį keisdami suspensijos tūrį. Iš 20 mililitrų tūrio susidaro plėvelė, kurios storis dažniausiai yra nuo vieno iki dviejų nanometrų, o 80 mililitrų suspensijos – daugiausia nuo trijų iki penkių nanometrų storio plėvelės. Plonesnės plėvelės yra 95 procentai skaidrios. Tyrėjai panaudojo plėveles kaip skaidrius elektrodus organiniuose saulės elementuose. Jie taip pat pagamino tranzistorius, padėdami plėveles ant silicio pagrindo ir ant jų nusodindami aukso elektrodus.
Grafeno plėvelėms reikia daug daugiau darbo. Šiuo metu tranzistoriai neneša tiek srovės, kiek pagaminti iš atskirų grafeno dribsnių, o tai, kaip spėja mokslininkai, yra dėl jų plėvelių persidengiančių dribsnių. Aukštos kokybės tranzistoriams reikės pagaminti vieno sluoksnio grafeno plėveles be persidengimo. Jie taip pat turi pagerinti savo plėvelės laidumą: indžio alavo oksidas vis dar yra šimtus kartų laidesnis. Organinių saulės elementų su indžio alavo oksido elektrodais efektyvumas yra nuo 3 iki 5 procentų. Su grafeno plonasluoksniais elektrodais gauname 0,1 proc., sako Chhowalla, tačiau tai yra koncepcijos įrodymas ir, žinoma, laikui bėgant tobulės.
„Tour“ mano, kad filmas žada daugiau organinių saulės elementų nei tranzistorių. Daugelis mokslininkų taip pat tiria anglies nanovamzdelių plėveles kaip būdą pakeisti indžio alavo oksido dangas ant saulės elementų. Tačiau „Tour“ teigia, kad grafenas galbūt būtų lengviau nei naudoti anglies nanovamzdelius, nes medžiagos prieinamumas yra didesnis. Pramonei taip pat gali būti lengviau pritaikyti grafeną, nes kai kurie žmonės nerimauja dėl anglies nanovamzdelių poveikio aplinkai.