Ett material tillverkat av halvledande polymer placerat ovanpå grafen leder elektrisk laddning extremt bra och kan möjliggöra nya elektroniska enheter. Detta verk fanns med på omslaget till tidskriften Avancerade funktionella material . Kredit:David Barbero
Grafen – ett enatomtjockt ark av kol med mycket önskvärda elektriska egenskaper, flexibilitet och styrka – visar stort löfte för framtida elektronik, avancerade solceller, skyddande beläggningar och andra användningsområden, och att kombinera den med andra material kan utöka dess sortiment ytterligare.
Experiment vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory tittade på egenskaperna hos material som kombinerar grafen med en vanlig typ av halvledande polymer. De fann att en tunn film av polymeren transporterade elektrisk laddning ännu bättre när den odlades på ett enda lager grafen än när den placerades på ett tunt lager av kisel.
"Våra resultat är bland de första som mäter laddningstransporten i dessa material i vertikal riktning - riktningen som laddningen rör sig i organiska solceller som solceller eller i lysdioder, sa David Barbero vid Umeå universitet i Sverige, ledare för det internationella forskarteamet som utförde experimenten vid SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), en DOE Office of Science User Facility. "Resultatet var något väntat, eftersom grafen och kisel har olika kristallina strukturer och elektriska egenskaper."
Men teamet upptäckte också något mycket oväntat, han sa.
Även om det var allmänt ansett att en tunnare polymerfilm skulle göra det möjligt för elektroner att färdas snabbare och mer effektivt än en tjockare film, Barbero och hans team upptäckte att en polymerfilm som var cirka 50 nanometer tjock ledde laddningen cirka 50 gånger bättre när den avsattes på grafen än samma film som var cirka 10 nanometer tjock.
Studier utförda vid Stanford Synchrotron Radiation Lightsource avslöjade att när den avsattes ovanpå grafen, en tjockare polymerfilm (överst) ledde laddningen betydligt bättre än en tunnare polymerfilm (botten). Detta beror sannolikt på att orienteringen av polymerkristalliterna i den tjocka filmen tillåter bildandet av en kontinuerlig väg för laddningen att flyta. Kredit:David Barbero
Teamet drog slutsatsen att den tjockare filmens struktur, som består av en mosaik av kristalliter orienterade i olika vinklar, bildar troligen en kontinuerlig väg av sammankopplade kristaller. Detta, de teoretiserar, möjliggör enklare laddningstransport än i en vanlig tunn film, vars smala, plattliknande kristallstrukturer är orienterade parallellt med grafenskiktet.
Genom att bättre kontrollera den halvledande filmens tjocklek och kristallina struktur, det kan vara möjligt att designa ännu mer effektiva grafenbaserade organiska elektroniska enheter.
"De områden som mest sannolikt kommer att dra nytta av detta arbete är förmodligen nästa generations solceller och flexibla elektroniska enheter, sade Barbero. Eftersom grafen är tunt, lätt och flexibel, det finns ett antal potentiella tillämpningar."
