(Phys.org) —The underligt material grafen är ett enatoms tjockt lager av grafit (en annan kristallin form av kol) där kolatomer är ordnade i ett regelbundet hexagonalt mönster. Att vara väldigt stark, ljus, nästan genomskinlig, och en utmärkt ledare av värme och elektricitet, hittar nya tillämpningar i en svindlande takt. Detta är inte förvånande, med tanke på att dess otaliga egenskaper inkluderar dess elektroniska, optisk, excitoniska, termisk, spinntransport, onormal kvanthalleffekt, mekanisk, och andra unika egenskaper. Även om en av grafens attraktiva mekaniska egenskaper är dess flexibilitet, mest forskning om dessa egenskaper har utförts på styva substrat som kiseldioxid eller kvarts. Ett styvt substrat är lämpligt för transistorer eller fotoelektriska enheter, men att applicera grafen på flexibla substrat har många tillämpningar, såsom organisk elektronik (används i solceller, ljusemitterande dioder, pekskärmsteknik, fotodetektorer, och molekylära separationsmembran), fotonik, och optoelektronik. För närvarande, det finns lite rapporterad aktivitet i att överföra grafen till flexibla substrat, och dessa använder vanligtvis polymetylmetakrylat (PMMA) som ett mellanmembran – nackdelen är att membranet måste tas bort efter överföringen. Nyligen, dock, forskare vid MIT, University of Alabama och Universidade Federal de Minas Gerais utarbetade en enkel, PMMA-fri, direktlamineringsteknik för att överföra grafen till olika flexibla substrat. Även om deras direktöverföringsmetod inte fungerar på hydrofila substrat som papper eller tyg, den nya tekniken kan också fungera framgångsrikt i dessa arbeten genom att använda PMMA som ytmodifierare eller lim – en förmåga som de säger kommer att skapa möjligheter för allmänt förekommande eller bärbar elektronik.

Prof. Paulo T. Araujo och professor Jing Kong diskuterade den forskning som deras studenter, Luiz Gustavo Pimenta och Yi Song, och kollegor i en intervju med Phys.org. "Konceptet bakom lamineringstekniken är enkelt och, som man kan se i vår tidnings referenser, vi var inte de första som använde det, " säger Araujo till Phys.org. "Men, vi var de första som applicerade det på ett mycket rent sätt – dvs. utan hjälp av mellanliggande membran som PMMA, eller lim som termiska tejper." De största utmaningarna de stötte på, han noterar, optimerade parametrar som lamineringsmaskinens temperatur, och tillverka den lämpliga skiktade sammansättningen av målsubstraten, grafen, kopparfolie, och skyddande pelliklar. "Dessutom, " Araujo tillägger, "vi behövde förstå skillnaderna och likheterna mellan de substrat vi använde. Till exempel, ett mycket poröst substrat kräver en annan överföringsstrategi som är mycket jämn."

Araujo noterar att den nya överföringsmetoden specifikt står i kontrast till tidigare metoder när det gäller hastighet och enkelhet. "Kortfattat, den mest använda överföringsmetoden består av att spincoating PMMA över en cooper-folie med grafen odlad på. Efter det, cooper/grafen/PMMA-setet lämnas i en cooper-etsning i 30 minuter, vilket eliminerar kukaren, lämnar bara grafen/PMMA kvar. Nästa, vi sköljer grafen/PMMA-setet med DI-vatten och avslutar det med målsubstratet. Till sist, aceton eller glödgning används för att bli av med PMMA. Hela processen tar cirka 1-1,5 timmar." Den nya direktöverföringsmetoden eliminerar de flesta av ovanstående steg, förutom de som involverar cooperetsmedlet och rengöringen med DI-vatten. "Därför, " han lägger till, "Jag skulle säga att direktöverföring sparar ungefär en halvtimme."

Araujo påpekar att en nyckelfaktor var att identifiera de viktiga faktorer som behövdes för en framgångsrik överföring till kala underlag. "Det första steget var att identifiera skillnader och likheter mellan de substrat vi använde, eller som kan användas, i vår forskning – nämligen om porös/icke-porös, hydrofob/hydrofil, mjuk hård, beteende av undertemperaturvariationer, och så vidare. Sedan, genom en noggrann och metodisk plan, vi var tvungna att utesluta de skillnader/likheter som inte spelade någon roll i överföringen." Detta steg var särskilt mödosamt, Araujo säger, eftersom det involverade flera direktöverföringsexperiment utförda under extremt varierande förhållanden. Som ett resultat av denna ansträngning, forskarna drog slutsatsen att de viktigaste målsubstratfaktorerna var dess hydrofobicitet och kontaktyta med grafen/kopparuppsättningen.

När det gäller substrat som inte är lämpliga för direkt överföring, teamet fastställde också att PMMA kan användas antingen som en ytmodifierare eller som ett lim för att säkerställa en framgångsrik grafenöverföring. "Först, vi behövde se om vår förutsägelse av hydrofobicitet var korrekt – och PMMA var ett mycket bekvämt val, eftersom det är hydrofobt, Araujo förklarar, "och. hydrofoba substrat fungerade mycket bra för överföringen. Vi frågade därför om vi kunde vända ett hydrofilt substrat, med vilken överföringen tidigare hade misslyckats, till ett som är hydrofobt substrat." Svaret var ja - och vi kan använda PMMA, eftersom det är mjukt (vilket betyder att de skulle kunna uppnå den nödvändiga glastemperaturövergången) och hydrofob. "Dock, " han lägger till, "Detta ledde oss till en annan fråga:Om vi ​​spincoat PMMA över det hydrofila substratet, kommer överföringen att fungera?" Tester visade att det gjorde, möjliggör överföring av grafen till tyg och papper.

När det gäller teamets demonstration att flerskikt gör att ledande ark med stor yta kan placeras på de flesta substrat de studerade, Kong erkänner att detta steg var okomplicerat ur synvinkeln av direkt överföring. "Eftersom grafen är hydrofobt, och förutsatt att den första överföringen lyckades, vi skulle kunna utföra flera överföringar framgångsrikt, ", påpekar han. "Den svåraste delen var att fånga svepelektronmikroskopbilder av flera grafener över de flexibla substraten. Att vara isolatorer, substraten laddas väldigt lätt elektriskt, vilket hindrade oss från att se substratet/grafenuppsättningen. Också, arkresistansmätningar var knepiga, eftersom de ömtåliga substraten mycket ofta skadas av sonderna."

När man hanterar dessa utmaningar, Araujo säger att nyckelinsikten kom från att tänka på de kritiska faktorerna i interaktionen mellan grafen och PMMA/termiska band. "Den stora innovationen var verkligen att visa att, för de flesta kommersiella substrat, vi behöver inte använda något mellanliggande membran för att överföra grafen till de flexibla substraten. Frånvaron av de mellanliggande membranen ger en ren överföring som avsevärt förbättrar kvaliteten på det överförda materialet. Till sist, enligt min uppfattning, det är fantastiskt att visa att vi kan överföra grafen till tyg eller papper genom att behandla sedan med ett PMMA-membran som erbjuder den miljö som krävs för att överföringen ska fungera – en metod kan lätt beskrivas som en ny teknik för att överföra grafen till denna klass av substrat. "

Inom en snar framtid, Kong säger att det kommer att finnas ett stort behov av alternativa sätt att skörda energi. "I detta sammanhang, " förklarar hon, "förmågan att på lämpligt sätt syntetisera och manipulera och överföra relevant material från tillväxtstationen till målplattformarna är ett stort problem, eftersom dessa steg kommer att avgöra kvaliteten på den slutliga produkten. Tillväxten av grafen är redan ganska avancerad – och vad vi erbjuder med den här forskningen är ett enkelt recept för att göra flera överföringar av material samtidigt som man undviker föroreningar som förs med standard "limbaserade" procedurer."

Araujo ser att detta framsteg leder till en ny era av flexibla pekskärmar av hög kvalitet, flexibla lysdioder, flexibla sensorer, gasfilter och solceller. Vidare, han konstaterar att med det växande intresset för nya skiktade material – t.ex. bornitrid, övergångsmetall dikalkogenider, och oxider – det blir möjligt att tillverka heterostrukturer genom att interkalera olika material. "De olika sätten på vilka man interkalerar de skiktade materialen ger en helt ny klass av applikationer som involverar elektronik, spintronik, supraledning och optoelektronik, " Araujo säger, och tillägger att det restfria överföringsförfarandet också kan utgöra ett framsteg för att bygga heterostrukturer av hög kvalitet.

"När det gäller de planerade nästa stegen i vår forskning, "Kong fortsätter, "Utvidgningen av vår metod bör testas med andra skiktade material som, inklusive bornitrid, övergångsmetalldikalkogenider och oxider de som nämnts ovan såväl som andra substrat. En mer grundlig studie av temperaturerna som bestämmer varm/kall överföring bör också genomföras."

En annan utmaning som Araujo nämner är den strukturella kvaliteten på det överförda materialet. "Även om vi har demonstrerat konceptet för restfri överföring och tagit itu med orsakerna till en framgångsrik överföring, kontinuiteten för den överförda filmen är fortfarande inte i toppmodern. Bristen på kontinuitet är välkommen för vissa applikationer, såsom filter – men det är oönskat vid produktion av, till exempel, högkvalitativa pekskärmsenheter. Också, " avslutar han, "Utvidgningen av denna teknik för att utföra denna restfria överföring till styva substrat är fortfarande en utmaning - och det är värt att komma ihåg att även om den tekniska dragningskraften hos flexibla enheter är hög, många applikationer som involverar, till exempel, logiska kretsar, är fortfarande starkt kopplade till styva substrat."

© 2013 Phys.org. Alla rättigheter förbehållna.