Fysikern Fang Zhao med figurer från hennes tidning. Kredit:Fang Zhao
Superstark och endast en atoms tjock, grafen lovar som ett nanomaterial för allt från mikroelektronik till ren energilagring. Men bristen på en fastighet har begränsat dess användning. Nu har forskare vid Princeton University och US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) övervunnit det problemet med lågtemperaturplasma, och skapat en ny teknik som öppnar dörren till ett stort antal industriella och vetenskapliga tillämpningar för det lovande nanomaterialet.
Starkare än stål
Grafen, som är hårdare än diamanter och starkare än stål, kan vara en grund för nästa generations teknik. Men frånvaron av en egenskap som kallas ett bandgap i blyertsgrafiten som bildar grafen begränsar dess förmåga att fungera som en halvledare, materialet i hjärtat av mikroelektroniska enheter. Halvledare både isolerar och leder elektrisk ström, men även om grafen är en utmärkt ledare kan den inte fungera som en isolator utan ett bandgap.
"Folk använder kisel som har ett bandgap för halvledare", säger Fang Zhao, huvudförfattare till en artikel i tidskriften Carbon som beskriver den nya processen. "Att öppna ett stort bandgap på grafen har gett upphov till intensiva studier för användning av halvledare", säger Zhao, fysiker vid Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) som skrev uppsatsen medan han var postdoktoral forskare i Princeton.
Dilemmat har fått forskare över hela världen att utforska sätt att skapa ett bandgap i grafen för att utöka dess potentiella tillämpningar. En populär metod har varit att kemiskt modifiera grafenytan med väte, en process som kallas "hydrering". Men det konventionella sättet att göra detta producerar irreversibel etsning och sputtering som allvarligt kan skada grafenytan – känt som ett 2D-material på grund av dess ultratunna natur – inom några sekunder eller minuter.
Forskare vid Princeton och PPPL har nu visat att en ny metod för att hydrera grafen säkert kan öppna dörren till omfattande mikroelektroniska tillämpningar. Metoden markerar ett nytt sätt att producera väteplasma som avsevärt breddar vätetäckningen i 2D-materialet. "Denna process skapar mycket längre vätebehandlingar på grund av dess låga grafenskada," sa Zhao.
Plasma, materiens heta, laddade tillstånd som består av fria elektroner och atomkärnor, utgör 99 procent av det synliga universum. Den lågtemperaturväteplasma som PPPL har utvecklat för att hydrera grafen står i kontrast till de miljoner graders fusionsplasma som länge har varit kännetecknet för PPPL-forskning, som syftar till att utveckla säker, ren och riklig fusionsenergi för att generera elektricitet.
Spinoff från Ptolemaios
Den nya metoden kommer från ett experiment som kallas Ptolemy, ett universitetsprojekt som Princeton-fysikern Chris Tully har utvecklat med hjälp av Zhao. Det projektet använder sönderfallet av tritium, den radioaktiva isotopen av väte, i försöket att fånga relikneutriner som dök upp bara sekunder efter Big Bang som skapade universum. Sådana reliker skulle kunna kasta nytt ljus över Big Bang, enligt Ptolemaios-projektet.
För att förbättra detekteringshastigheten för sönderfallet vände Tully sig till PPPL-fysikern Yevgeny Raitses, som leder forskning om lågtemperaturplasma vid PPPL. "PPPLs beredskap att förena sina krafter och åstadkomma transformerande 2D-materialegenskaper är inspirerande," sa Tully. "Att slå världsrekordet i grafenhydreringsutbyte är en hyllning till PPPLs unika kapacitet."
Raitses och kollegor utvecklade en metod för att utöka täckningen av väte i grafenet som rymmer tritiumsönderfallet. Processen ökar avsevärt framtida tillämpningar av grafen. "Denna spinoff från Ptolemaios kan nu användas för mikroelektronik, QIS [kvantinformationsvetenskap] och andra applikationer," sa Raitses. "Metoden kan även tillämpas på andra 2D-material."
Spinoffen kombinerar elektriska och magnetiska fält för att producera en väteplasma som levererar rikligt med väte med låg skada på grafenet. Denna skonsamma och välkontrollerade metod är i sig en spinoff från forskning som Raitses utvecklade när han studerade Hall-propeller, plasmabaserade motorer för framdrivning av rymdfarkoster. Tekniken har hydrerat grafen i upp till 30 minuter i PPPL-experiment, vilket kraftigt ökar vätetäckningen och öppnar ett bandgap som förvandlar grafen till halvledarmaterial.
Allt detta, säger Carbon papper, skapar en attraktiv metod för att göra 2D-material "spännande och kommande [källor] för stora applikationer."
Princeton-fysikerna Chris Tully och Andi Tan, tillsammans med kemisten Xiaofang Yang vid Princeton Department of Chemical and Biological Engineering, samarbetade också med detta papper. Stöd för detta arbete kommer från DOE Office of Science (FES) och Air Force Office of Scientific Research. + Utforska vidare
