Fig.1 Jämförelse av reduktionsprocesser för grafenoxider med (a) konventionella och (b) våra metoder. Schematiska ritningar av strömmande bärare (elektroner och hål) i (c) lågkristallin och (d) högkristallin grafen. Temperaturberoende av konduktansen i de reducerade grafenoxidfilmerna framställda genom värmebehandling vid (e) 900ºC och (f) 1130ºC. Från analysen av konduktansens temperaturberoende, bärartransportmekanismen för de reducerade grafenoxidfilmerna framställda genom högtemperaturbehandling i etanolånga vid 1130ºC visar den bandliknande transporten i intervallet från 300 till 40 K för mätning av temperatur (se fig. 1(f)). Kredit:Osaka University
Forskare upptäckte en procedur för att återställa defekta grafenoxidstrukturer som gör att materialet uppvisar låg bärarrörlighet. Genom att tillämpa en högtemperaturreduktionsbehandling i en etanolmiljö, defekta strukturer återställdes, vilket leder till bildandet av en mycket kristallin grafenfilm med utmärkt bandliknande transport. Dessa fynd förväntas komma till användning i skalbara produktionstekniker av högkristallina grafenfilmer.
Grafen är ett material med utmärkt elektrisk ledningsförmåga, mekanisk styrka, kemisk stabilitet, och en stor yta. Dess struktur består av ett enatomtjockt lager av kolatomer. På grund av dess positiva egenskaper, forskning om dess syntes och tillämpning på elektroniska enheter bedrivs runt om i världen. Även om det är möjligt att skapa grafen från grafenoxid (GO), ett material framställt genom kemisk exfoliering från grafit genom oxidativ behandling, denna behandling orsakar defekta strukturer och förekomsten av syrehaltiga grupper, vilket gör att GO visar låga ledningsegenskaper. Än så länge, transportörens rörlighet, den grundläggande indikatorn med vilken transistorprestanda uttrycks, låg kvar på högst några cm2/Vs. En grupp forskare ledd av Ryota Negishi, assisterande professor, och Yoshihiro Kobayashi, professor, Civilingenjörshögskolan, Osaka University; Masashi Akabori, docent, Japan Advanced Institute of Science and Technology; Takahiro Ito, docent, Civilingenjörshögskolan, Nagoya universitet; och Yoshio Watanabe, Vice regissören, Aichi Synchrotron Radiation Center, har utvecklat en reduktionsbehandling genom vilken kristalliniteten hos GO förbättrades drastiskt.
Forskarna belade ett substrat med 1-3 extremt tunna lager av GO och tillsatte en liten mängd etanol till upp till 1100°C högtemperaturreduktionsprocessen. Tillsatsen av den kolbaserade etanolgasen ledde till en effektiv restaurering av den defekta grafenstrukturen. För första gången i världen, denna grupp lyckades observera en bandliknande transport som återspeglar de inneboende elektriska transportegenskaperna i kemiskt reducerade GO-filmer. Bandliknande transport är en ledningsmekanism där bärarna använder de periodiska elektriska mekanismerna i solida kristaller som en transmissionsvåg. Den observerade bandtransporten i denna studie uppnådde en bärarmobilitet på ~210 cm2/Vs, för närvarande den högsta nivån som observerats i kemiskt reducerade GO-filmer.
Fig. 2 Transmissionselektronmikroskopbilder observerade från de reducerade grafenoxidfilmerna framställda genom etanolbehandling vid (a) 900ºC och (b) 1100ºC. För högtemperaturbehandling, de periodiska ljusa fläckarna observeras i de reducerade grafenoxidfilmerna. Detta innebär att kristalliniteten hos den reducerade grafenoxiden förbättras effektivt genom högtemperaturbehandling i etanolmiljö. Kredit:Osaka University
Det framgångsrika skapandet av tunna grafenfilmer som uppnåtts genom ovanstående reduktionsmetod har öppnat möjligheten för deras tillämpning i en mångfald av elektroniska enheter och sensorer. Resultaten av denna forskargrupp utgör en milstolpe i utvecklingen av skalbara material som utnyttjar grafens utmärkta fysikaliska egenskaper.
Denna forskning presenterades i Vetenskapliga rapporter (Nature Publishing Group) den 1 juli, 2016.
