En ny teknik som uppfanns på Caltech för att producera grafen - ett material som består av ett atomtjockt lager av kol - vid rumstemperatur kan hjälpa till att bana väg för kommersiellt genomförbara grafenbaserade solceller och lysdioder, skärmar med stora paneler, och flexibel elektronik.

"Med denna nya teknik, vi kan odla stora ark grafen av elektronisk kvalitet på mycket kortare tid och vid mycket lägre temperaturer, " säger Caltechs personalforskare David Boyd, som utvecklade metoden.

Boyd är den första författaren till en ny studie, publicerades i numret av tidskriften den 18 mars Naturkommunikation , beskriver den nya tillverkningsprocessen och de nya egenskaperna hos den grafen som den producerar.

Grafen kan revolutionera en mängd olika tekniska och vetenskapliga områden på grund av dess unika egenskaper, som inkluderar en draghållfasthet som är 200 gånger starkare än stål och en elektrisk rörlighet som är två till tre storleksordningar bättre än kisel. Den elektriska rörligheten hos ett material är ett mått på hur lätt elektroner kan färdas över dess yta.

Dock, att uppnå dessa egenskaper i en industriellt relevant skala har visat sig vara komplicerat. Befintliga tekniker kräver temperaturer som är alldeles för varma—1, 800 grader Fahrenheit, eller 1, 000 grader Celsius – för att integrera grafentillverkning med nuvarande elektronisk tillverkning. Dessutom, hög temperaturtillväxt av grafen tenderar att inducera stora, okontrollerbart fördelad påkänning – deformation – i materialet, som allvarligt äventyrar dess inneboende egenskaper.

"Tidigare, människor kunde bara odla några kvadratmillimeter högrörlig grafen åt gången, och det krävde mycket höga temperaturer, långa tidsperioder, och många steg, " säger Caltech fysikprofessor Nai-Chang Yeh, Fletcher Jones Foundation meddirektör för Kavli Nanoscience Institute och motsvarande författare till den nya studien. "Vår nya metod kan konsekvent producera hög rörlighet och nästan stamfri grafen i ett enda steg på bara några minuter utan hög temperatur. Vi har skapat provstorlekar på några kvadratcentimeter, och eftersom vi tror att vår metod är skalbar, vi tror att vi kan odla ark som är upp till flera kvadrattum eller större, banar väg för realistiska storskaliga tillämpningar."

Den nya tillverkningsprocessen kanske inte hade upptäckts alls om inte för en lycklig händelseutveckling. Under 2012, Pojke, arbetade sedan i den bortgångne David Goodwins labb, vid den tiden en Caltech-professor i maskinteknik och tillämpad fysik, försökte reproducera en grafentillverkningsprocess som han hade läst om i en vetenskaplig tidskrift. I denna process, uppvärmd koppar används för att katalysera grafentillväxt. "Jag lekte med det på min lunchtimme, säger Boyd, som nu arbetar med Yehs forskargrupp. "Men receptet fungerade inte. Det verkade som en väldigt enkel process. Jag hade till och med bättre utrustning än vad som användes i det ursprungliga experimentet, så det borde ha varit lättare för mig."

Under ett av hans försök att reproducera experimentet, telefonen ringde. Medan Boyd tog samtalet, han lät oavsiktligt en kopparfolie värmas längre än vanligt innan han exponerade den för metanånga, som ger de kolatomer som behövs för grafentillväxt.

När Boyd senare undersökte kopparplattan med Raman-spektroskopi, en teknik som används för att detektera och identifiera grafen, han såg bevis på att ett grafenlager verkligen hade bildats. "Det var ett "A-ha!" ögonblick, " säger Boyd. "Jag insåg då att tricket för att växa är att ha en mycket ren yta, en utan kopparoxid."

Som Boyd minns, han kom då ihåg att Robert Millikan, en nobelprisbelönt fysiker och chef för Caltech från 1921 till 1945, fick också kämpa med att ta bort kopparoxid när han utförde sitt berömda experiment från 1916 för att mäta Plancks konstant, vilket är viktigt för att beräkna mängden energi en enskild ljuspartikel, eller foton, Boyd undrade om han, som Millikan, kunde komma på en metod för att rengöra sin koppar medan den var under vakuum.

Lösningen Boyd hittade på var att använda ett system som först utvecklades på 1960-talet för att generera en väteplasma – det vill säga, vätgas som har elektrifierats för att separera elektronerna från protonerna – för att avlägsna kopparoxiden vid mycket lägre temperaturer. Hans första experiment visade inte bara att tekniken fungerade för att avlägsna kopparoxiden, men att den samtidigt producerade grafen också.

I början, Boyd kunde inte lista ut varför tekniken var så framgångsrik. Han upptäckte senare att två läckande ventiler släppte in spårmängder av metan i experimentkammaren. "Ventilerna släppte in precis rätt mängd metan för att grafen skulle växa, " han säger.

Möjligheten att producera grafen utan behov av aktiv uppvärmning minskar inte bara tillverkningskostnaderna, men resulterar också i en bättre produkt eftersom färre defekter – som introduceras som ett resultat av termiska expansions- och kontraktionsprocesser – genereras. Detta eliminerar i sin tur behovet av flera efterproduktionssteg. "Vanligtvis, det tar ungefär tio timmar och nio till tio olika steg att göra en sats av högrörlig grafen med hjälp av metoder för odling vid hög temperatur, " säger Yeh. "Vår process innefattar ett steg, och det tar fem minuter."

Arbete av Yehs grupp och internationella samarbetspartners avslöjade senare att grafen tillverkad med den nya tekniken är av högre kvalitet än grafen tillverkad med konventionella metoder:Det är starkare eftersom det innehåller färre defekter som kan försvaga dess mekaniska styrka, och den har den högsta elektriska rörligheten som hittills uppmätts för syntetisk grafen.

Teamet tror att en anledning till att deras teknik är så effektiv är att en kemisk reaktion mellan väteplasman och luftmolekylerna i kammarens atmosfär genererar cyanoradikaler - kol-kvävemolekyler som har tagits bort från sina elektroner. Som små superscrubbers, dessa laddade molekyler rensar effektivt kopparn från ytfel och ger en orörd yta att odla grafen på.

Forskarna upptäckte också att deras grafen växer på ett speciellt sätt. Grafen som produceras med konventionella termiska processer växer från ett slumpmässigt lapptäcke av avsättningar. But graphene growth with the plasma technique is more orderly. The graphene deposits form lines that then grow into a seamless sheet, which contributes to its mechanical and electrical integrity.

A scaled-up version of their plasma technique could open the door for new kinds of electronics manufacturing, Yeh says. Till exempel, graphene sheets with low concentrations of defects could be used to protect materials against degradation from exposure to the environment. Another possibility would be to grow large sheets of graphene that can be used as a transparent conducting electrode for solar cells and display panels. "I framtiden, you could have graphene-based cell-phone displays that generate their own power, " Yeh says.

Another possibility, hon säger, is to introduce intentionally imperfections into graphene's lattice structure to create specific mechanical and electronic attributes. "If you can strain graphene by design at the nanoscale, you can artificially engineer its properties. But for this to work, you need to start with a perfectly smooth, strain-free sheet of graphene, " Yeh says. "You can't do this if you have a sheet of graphene that has uncontrollable defects in different places."