Graphenes löfte som material för nya typer av elektroniska enheter, bland annat användningsområden, har fått forskare runt om i världen att studera materialet i jakt på nya tillämpningar. Men en av de största begränsningarna för en bredare användning av det starka, lättvikt, mycket ledande material har varit hindret för tillverkning i industriell skala.

Inledande arbete med kolmaterialet, som bildar ett nät i atomskala och är bara en enda atom tjock, har förlitat sig på användningen av små flingor, vanligtvis erhålls genom att snabbt ta bort en bit tejp från ett grafitblock – ett lågteknologiskt system som inte lämpar sig för tillverkning. Sedan dess, fokus har flyttats till att göra grafenfilmer på metallfolie, men forskare har haft svårigheter att överföra grafen från folien till användbara substrat.

Nu har forskare vid MIT och University of Michigan kommit på ett sätt att producera grafen, i en process som lämpar sig för uppskalning, genom att göra grafen direkt på material som stora glasskivor. Processen beskrivs, i en tidning som publicerades denna vecka i tidskriften Vetenskapliga rapporter , av ett team på nio forskare under ledning av A. John Hart från MIT. Huvudförfattare av tidningen är Dan McNerny, en före detta MIT postdoc som nu är i Michigan, och Viswanath Balakrishnan, en före detta MIT postdoc som nu är vid Indian Institute of Technology.

För närvarande, de flesta metoder för att göra grafen först växa materialet på en film av metall, som nickel eller koppar, säger Hart, Mitsui karriärutvecklingsdocent i maskinteknik. "För att göra det användbart, du måste få bort det från metallen och på ett underlag, såsom en kiselwafer eller ett polymerark, eller något större som en glasskiva, " säger han. "Men processen att överföra den har blivit mycket mer frustrerande än processen att odla grafenen själv, och kan skada och förorena grafenet."

Det nya verket, Hart säger, använder fortfarande en metallfilm som mall - men istället för att bara göra grafen ovanpå metallfilmen, det gör grafen på både filmens topp och botten. Substratet i detta fall är kiseldioxid, en form av glas, med en film av nickel ovanpå.

Använda kemisk ångdeposition (CVD) för att avsätta ett grafenskikt ovanpå nickelfilmen, Hart säger, ger "inte bara grafen ovanpå [nickelskiktet], men också på botten." Nickelfilmen kan sedan skalas bort, lämnar bara grafenet ovanpå det icke-metalliska substratet.

Den här vägen, det finns inget behov av en separat process för att fästa grafenet på det avsedda substratet – oavsett om det är en stor glasplatta för en bildskärm, eller en tunn, flexibelt material som kan användas som grund för en lättvikts, bärbar solcell, till exempel. "Du gör CVD på substratet, och, med vår metod, grafenen stannar kvar på substratet, " säger Hart.

Förutom forskarna vid Michigan, där Hart tidigare undervisade, arbetet gjordes i samarbete med en stor glastillverkare, Guardian Industries. "För att möta deras tillverkningsbehov, det måste vara väldigt skalbart, " säger Hart. Företaget använder för närvarande en flytande process, där glas rör sig med en hastighet av flera meter per minut i anläggningar som producerar hundratals ton glas varje dag. "Vi inspirerades av behovet av att utveckla en skalbar tillverkningsprocess som kunde producera grafen direkt på ett glassubstrat, " säger Hart.

Arbetet är fortfarande i ett tidigt skede; Hart varnar för att "vi fortfarande behöver förbättra enhetligheten och kvaliteten på grafenet för att göra det användbart." Men potentialen är stor, han föreslår:"Förmågan att producera grafen direkt på icke-metalliska substrat skulle kunna användas för storformatsskärmar och pekskärmar, och för "smarta" fönster som har integrerade enheter som värmare och sensorer."

Hart tillägger att tillvägagångssättet också kan användas för småskaliga applikationer, såsom integrerade kretsar på kiselskivor, om grafen kan syntetiseras vid lägre temperaturer än vad som användes i denna studie.

"Denna nya process är baserad på en förståelse av grafentillväxt i samverkan med nickelfilmens mekanik, " säger han. "Vi har visat att den här mekanismen kan fungera. Nu handlar det om att förbättra de egenskaper som behövs för att producera en högpresterande grafenbeläggning."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.