Kemister från Europas Graphene Flagship granskar potentialen för grafenorganiska kompositmaterial inom elektronik. Forskarna visar hur organiska halvledare kan användas för att bättre bearbeta grafen, och för att justera dess egenskaper för särskilda applikationer.

Det mest kända av alla tvådimensionella material, grafen har egenskaper som gör det attraktivt för en hel rad av mekaniska, optiska och elektroniktillämpningar. Grafen är en utmaning att producera i industriell skala, dock, och det kan vara svårt att justera dess egenskaper för att passa specifika funktioner. I hopp om att lösa dessa två problem samtidigt, Forskningsintresset vänder sig till interaktionen mellan grafen och skräddarsydda organiska halvledare.

Kemister har länge varit intresserade av organiska molekyler för nanoteknologiska tillämpningar. Mindre organiska molekyler kan möjliggöra molekylär sammansättning av kolnanomaterial till högordnade arkitekturer som nanofibrer, kristaller och monolager. Ryggraden av kolatomer i polymerer, å andra sidan, kan leda till mer oordnade storskaliga sammanställningar, men polymerernas långsträckta och flexibla form ger hög löslighet och effektiv transport av elektrisk laddning.

Skalbar bearbetning och funktionalisering av grafen är föremål för en artikel av tre Graphene Flagship-forskare som skriver i tidskriften Royal Society of Chemistry, de Journal of Materials Chemistry C . The Graphene Flagship är ett internationellt konsortium av akademiska och industriella partners, delfinansierad av Europeiska kommissionen, som fokuserar på utvecklingen av grafen och relaterade 2d-material.

Andrea Schlierf, Paolo Samorì och Vincenzo Palermo tittar i sin recension på ett antal kommersiella polymerer, vars mekaniska och elektriska egenskaper kunde förbättras med tillsats av grafen. Författarna betraktar också grafen som ett substrat för biomedicinska tillämpningar, och användningen av organiska halvledare för att öppna upp ett elektroniskt bandgap i grafen. Frånvaron av ett bandgap i den rena formen av detta mycket ledande material är en stor fråga som hindrar dess utnyttjande inom elektronik.

Avsätt små organiska molekyler på en plan kolyta som grafen, och man kan modulera den ytan genom den externt oriktade kemiska processen som kallas självmontering. Det finns många klasser av molekyler som kan användas för detta ändamål, allt från enkla alkaner till större aromatiska kolväten. Självmontering drivs i alla fall av ett komplext samspel mellan inter-molekylära och molekyl-substratinteraktioner.

Experimentella resultat visar att kärnbildningen, orientering och packning av organiska halvledare på grafen skiljer sig ganska mycket från de som odlas på konventionella substrat som kisel och grafit. Att lägga till kemiska sidokedjor till ryggraden i de organiska molekylerna kan också exponera funktionaliteter som fungerar i synergi med eller opposition till kärninteraktionen mellan de adsorberade molekylerna och grafen, leder till mer komplexa vägar för självmontering.

Att belägga grafen med organiska molekyler i vakuum är en sak, men när det gäller funktionalisering och kostnad, lösliga grafen-organiska hybridsystem har klara fördelar jämfört med grafen som produceras genom kemisk ångavsättning eller epitaxiell tillväxt. Grafenorganiska suspensioner kan bearbetas med stora ytbeläggningstekniker såsom bläckstråletryck, med grafen som produceras genom exfoliering i vätskefas i ett organiskt lösningsmedel. Detta är diskbänkens syn på grafentillverkning, och processen är billig, effektiv och mycket skalbar.

Ett exempel på detta vätskebaserade tillvägagångssätt för grafenexfoliering ges i en annan nyligen publicerad forskningspublikation till vilken alla tre recensionsförfattarna bidragit. I en artikel publicerad i Institute of Physics tidskrift 2D Materials, Schlierf och hennes kollegor beskriver exfolieringen, bearbetning och inkludering i polymerkompositer av grafennano-blodplättar med användning av indantronblått sulfonsyranatriumsalt, ett vanligt industriellt färgämne som förkortas som IBS.

Som är vanligt med kompositnanomaterial i allmänhet, adsorptionen av organiska molekyler på grafen kan ha en betydande effekt på den senares elektroniska egenskaper. Inverkan av denna materialdopning bekräftas av spektroskopiska mätningar, och inkluderar G-bandsdelning i Raman-spektra.

En annan anmärkningsvärd effekt av grafen-organiska interaktioner är fluorescenssläckning i ljusemitterande färgämnen genom laddning eller energiöverföring. I detta fall, interaktionen är förknippad med elektromagnetiska fält som är starkt förstärkta som ett resultat av grafenens energisänkningsnatur. Det är denna kvalitet av grafen som gör det till ett lovande material för fotodetektion, nanofotoniska och fotovoltaiska tillämpningar.

Adsorption av organiska halvledare kan också ge grafen en magnetisk funktion, som komplement till dess elektroniska, mekaniska och optiska egenskaper. Detta kan leda till tillämpningen av grafen-organiska hybridmaterial i spintronik, med magnetiska funktioner som ändrar spinnpolariseringen av elektriska strömmar som flyter i grafen.

Spintronics åsido, potentialen för grafen i elektroniken beror till stor del på dess tillämpning i integrerade kretsar, och till exempel i komponenter som kallas fälteffekttransistorer (FET). Problemet med grafen, åtminstone i sin orörda form, är att den höga laddningsbärarens rörlighet kompenseras av ett mycket dåligt omkopplingsförhållande för på/av-ström. Doping av grafen med andra material kan förbättra detta till viss del, men det finns ett annat sätt att närma sig problemet. Grafen skulle kunna införlivas i organiska FET, vilket resulterar i ökad elektronrörlighet, och omkopplingsförhållanden jämförbara med eller bättre än de som observerats i organiska FET:er utan grafen.

Fokus här ligger på grafen, men grafen är bara ett av hundratals tvådimensionella material av intresse för flaggskeppsforskare och industri. Andra skiktade material av betydelse inkluderar bornitrid och molybdendisulfid (MoS2), vars halvledaregenskaper ger dem en fördel jämfört med ren grafen i vissa tillämpningar. Sådana 2D-material kan till exempel användas i transistor-gate-isolatorer, fotokänsliga komponenter, som aktivt material för FET, eller i elektroder. En polymerkomposit av vätskefasexfolierad MoS2 och polyetylenoxid demonstrerades nyligen som ett anodmaterial för litiumjonbatterier. Kompositen visar hög laddningslagringskapacitet, och långvarig reversibilitet.

Grafen talas ofta om i motsats till kisel som det elektroniska materialet i en "post-kiselålder". Verkligheten är mer nyanserad än denna idealiserade bild, men ändå, grafen kan i vissa avseenden överträffa kisel. Det öppnar också för nya möjligheter, speciellt när den används i kombination med andra material.

"En stor fördel med grafen framför kisel är att den är baserad på kol, som ligger till grund för allt organiskt material", säger Vincenzo Palermo, som leder enheten för funktionella organiska material vid Institutet för organisk syntes och fotoreaktivitet vid det italienska nationella forskningsrådet i Bologna. "Denna affinitet mellan grafen och organiska föreningar möjliggör en sömlös integrering av grafen i kompositmaterial för flexibel elektronik, avkänning och biomedicinska tillämpningar. Grafen kan starkt interagera med och ställa in morfologin hos de flesta organiska molekyler, och det gör det på ett mer kontrollerat sätt än vad som är fallet med andra material som kisel eller metaller."

Som Palermo och hans medförfattare säger i sin slutsats av sin recension, möjligheten att kombinera kolbaserade material med mycket olika egenskaper bör möjliggöra integration av höghastighetselektronik, organisk elektronik och kompositmaterialvetenskap.