grafen, en form av rent kol ordnat i ett gitter bara en atom tjockt, har intresserat otaliga forskare med sin unika styrka och sin elektriska och värmeledningsförmåga. Men en nyckelegenskap som den saknar - vilket skulle göra den lämplig för en mängd nya användningsområden - är förmågan att bilda ett bandgap, behövs för enheter som transistorer, datachip och solceller.

Nu, ett team av MIT-forskare har hittat ett sätt att producera grafen i betydande mängder i en två- eller treskiktsform. När lagren är ordnade precis rätt, dessa strukturer ger grafen det eftertraktade bandgapet - ett energiintervall som faller mellan banden, eller energinivåer, där elektroner kan finnas i ett givet material.

"Det är ett genombrott inom grafenteknik, säger Michael Strano, Charles och Hilda Roddey docent i kemiteknik vid MIT. Det nya arbetet beskrivs i en artikel som publicerades denna vecka i tidskriften Naturens nanoteknik , medförfattare av doktoranden Chih-Jen Shih, Professor i kemiteknik Daniel Blankschtein, Strano och 10 andra studenter och postdoktorer.

Grafen bevisades första gången 2004 (en bedrift som ledde till 2010 års Nobelpris i fysik), men att göra det i tillräckligt stora mängder för allt annat än småskalig laboratorieforskning har varit en utmaning. Standardmetoden förblir att använda tejp för att plocka upp små flagor av grafen från ett block av högrenad grafit (materialet av blyertspenna) - en teknik som inte lämpar sig för produktion i kommersiell skala.

Den nya metoden, dock, kan utföras i en skala som öppnar möjligheten för verklig, praktiska tillämpningar, Strano säger, och gör det möjligt att producera det exakta arrangemanget av lagren - kallat A-B staplade, med atomerna i ett lager centrerat över utrymmena mellan atomerna i nästa - vilket ger önskvärda elektroniska egenskaper.

"Om du vill ha en hel massa dubbellager som är A-B staplade, detta är det enda sättet att göra det, ” säger han.

Tricket drar fördel av en teknik som ursprungligen utvecklades så långt tillbaka som på 1950- och 60-talen av MIT-institutets professor Mildred Dresselhaus, bland annat:Föreningar av brom eller klor som införs i ett grafitblock hittar naturligt in i materialets struktur, sätter sig regelbundet mellan vartannat lager, eller i vissa fall vart tredje lager, och skjuta skikten något längre isär under processen. Strano och hans team upptäckte att när grafiten löses upp, det går naturligt isär där de tillsatta atomerna ligger, bildar grafenflingor två eller tre lager tjocka.

"Eftersom denna spridningsprocess kan vara mycket skonsam, vi slutar med mycket större flingor” än någon annan har gjort med andra metoder, säger Strano. "Grafen är ett mycket ömtåligt material, så det kräver skonsam bearbetning.”

Sådana formationer är "en av de mest lovande kandidaterna för nanoelektronik efter kisel, säger författarna i sin tidning. Flingorna som produceras med denna metod, så stor som 50 kvadratmikrometer i yta, är tillräckligt stora för att vara användbara för elektroniska applikationer, de säger. För att bevisa poängen, de kunde tillverka några enkla transistorer på materialet.

Materialet kan nu användas för att utforska utvecklingen av nya typer av elektroniska och optoelektroniska enheter, säger Strano. Och till skillnad från "scotch tape"-metoden för att göra grafen, "Vårt tillvägagångssätt är industriellt relevant, " säger Strano.

James Tour, en professor i kemi och i maskinteknik och materialvetenskap vid Rice University, som inte var involverad i denna forskning, säger att arbetet involverade "lysande experiment" som producerade övertygande statistik. Han tillade att ytterligare arbete skulle behövas för att förbättra utbytet av användbart grafenmaterial i sina lösningar, nu på cirka 35 till 40 procent, till mer än 90 procent. Men när det väl är uppnått, han säger, “this solution-phase method could dramatically lower the cost of these unique materials and speed the commercialization of them in applications such as optical electronics and conductive composites.”

While it’s hard to predict how long it will take to develop this method to the point of commercial applications, Strano says, “it’s coming about at a breakneck pace.” A similar solvent-based method for making single-layer graphene is already being used to manufacture some flat-screen television sets, and “this is definitely a big step” toward making bilayer or trilayer devices, han säger.

The work was supported by grants from the U.S. Office of Naval Research through a multi-university initiative that includes Harvard University and Boston University along with MIT, as well as from the Dupont/MIT Alliance, a David H. Koch fellowship, and the Army Research Office through the Institute for Soldier Nanotechnologies at MIT.