grafen, det tvådimensionella kraftpaketet, har extrem hållbarhet, elektrisk konduktivitet, och transparens till ett enatomtjockt ark av kol. Trots att det utropades som ett genombrott "undermaterial, "grafen har gått långsamt till kommersiella och industriella produkter och processer.

Nu, forskare har utvecklat en enkel och kraftfull metod för att skapa motståndskraftiga, anpassat, och högpresterande grafen:skiktning ovanpå vanligt glas. Denna skalbara och billiga process hjälper till att bana väg för en ny klass av mikroelektroniska och optoelektroniska enheter - allt från effektiva solceller till pekskärmar.

Samarbetet – ledd av forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory, Stony Brook University (SBU), och Colleges of Nanoscale Science and Engineering vid SUNY Polytechnic Institute – publicerade sina resultat den 12 februari, 2016, i journalen Vetenskapliga rapporter .

"Vi tror att detta arbete avsevärt kan utveckla utvecklingen av verkligt skalbar grafenteknik, " sa studiemedförfattare Matthew Eisaman, en fysiker vid Brookhaven Lab och professor vid SBU.

Forskarna byggde proof-of-concept grafenanordningarna på underlag av soda-kalkglas-det vanligaste glaset som finns i fönster, flaskor, och många andra produkter. I en oväntad twist, natriumatomerna i glaset hade en kraftfull effekt på grafenens elektroniska egenskaper.

"Natriumet inuti soda-kalkglaset skapar hög elektrondensitet i grafenet, som är avgörande för många processer och har varit utmanande att uppnå, "sa medförfattaren Nanditha Dissanayake från Voxtel, Inc., men tidigare från Brookhaven Lab. "Vi upptäckte faktiskt den här effektiva och robusta lösningen under jakten på något lite mer komplext. Sådana överraskningar är en del av vetenskapens skönhet."

Avgörande, effekten förblev stark även när enheterna utsattes för luft i flera veckor - en klar förbättring jämfört med konkurrerande tekniker.

Det experimentella arbetet gjordes främst vid Brookhavens avdelning för hållbar energiteknologi och Center for Functional Nanomaterials (CFN), som är en DOE Office of Science User Facility.

De aktuella grafenjusteringarna kretsar kring en process som kallas dopning, där de elektroniska egenskaperna är optimerade för användning i enheter. Denna justering innebär att antingen öka antalet elektroner eller de elektronfria "hålen" i ett material för att uppnå den perfekta balansen för olika tillämpningar. För framgångsrika verkliga enheter, det är också mycket viktigt att det lokala antalet elektroner som överförs till grafenet inte bryts ned över tiden.

"Graphendopningsprocessen involverar vanligtvis införandet av externa kemikalier, vilket inte bara ökar komplexiteten, men det kan också göra materialet mer sårbart för nedbrytning, " sa Eisaman. "Lyckligtvis, vi hittade en genväg som övervann dessa hinder. "

Teamet satte sig initialt för att optimera en solcell som innehåller grafen staplad på en högpresterande kopparindiumgalliumdiselenid (CIGS) halvledare, som i sin tur staplades på ett industriellt soda-kalkglassubstrat.

Forskarna genomförde sedan preliminära tester av det nya systemet för att ge en baslinje för att testa effekterna av efterföljande dopning. Men dessa tester avslöjade något konstigt:grafenet var redan optimalt dopat utan införandet av några ytterligare kemikalier.

"Till vår förvåning, grafen- och CIGS -lagren bildade redan en bra solcellskorsning! "sa Dissanayake." Efter mycket undersökning, och den senare isoleringen av grafen på glaset, vi upptäckte att natriumet i substratet automatiskt skapade hög elektrondensitet i vår flerskiktiga grafen."

Att fastställa mekanismen genom vilken natrium fungerar som dopningsmedel involverade en noggrann utforskning av systemet och dess prestanda under olika förhållanden, inklusive tillverkning av apparater och mätning av dopningsstyrkan på ett brett spektrum av substrat, både med och utan natrium.

"Att utveckla och karakterisera enheterna krävde komplex nanotillverkning, känslig överföring av den atomiskt tunna grafen till grova underlag, detaljerad strukturell och elektrooptisk karakterisering, och även förmågan att växa CIGS-halvledaren, "Sa Dissanayake." Lyckligtvis vi hade både expertis och toppmoderna instrument till hands för att möta alla dessa utmaningar, samt generös finansiering."

Huvuddelen av det experimentella arbetet utfördes på Brookhaven Lab med hjälp av tekniker som utvecklats internt, inklusive avancerad litografi. För högupplösta elektronmikroskopmätningar, CFN -personalforskare och studieförfattare Kim Kisslinger och Lihua Zhang lånade ut sin expertis. Medförfattarna Harry Efstathiadis och Daniel Dwyer – båda vid College of Nanoscale Science and Engineering vid SUNY Polytechnic Institute – ledde arbetet med att växa och karakterisera de högkvalitativa CIGS-filmerna.

"Nu när vi har visat grundkonceptet, vi vill fokusera härnäst på att visa fin kontroll över dopningsstyrkan och rumsmönstret, " sa Eisaman.

Forskarna behöver nu undersöka djupare grunderna för dopningsmekanismen och mer noggrant studera materialets motståndskraft under exponering för verkliga driftsförhållanden. De första resultaten, dock, tyder på att glas-grafenmetoden är mycket mer resistent mot nedbrytning än många andra dopningstekniker.

"De potentiella tillämpningarna för grafen berör många delar av allas dagliga liv, från konsumentelektronik till energiteknik, ", sa Eisaman. "Det är för tidigt att säga exakt vilken effekt våra resultat kommer att ha, men det här är ett viktigt steg mot att eventuellt göra några av dessa applikationer verkligt överkomliga och skalbara."

Till exempel, grafens höga konduktivitet och transparens gör den till en mycket lovande kandidat som en transparent, ledande elektrod för att ersätta den relativt spröda och dyra indiumtennoxiden (ITO) i applikationer som solceller, organiska ljusemitterande dioder (OLED), platta skärmar, och pekskärmar. För att ersätta ITO, skalbara och billiga metoder måste utvecklas för att kontrollera grafens motståndskraft mot strömmen av elektrisk ström genom att kontrollera dopningsstyrkan. Detta nya glas-grafensystem skulle kunna anta den utmaningen, säger forskarna.