Grafen är ett av de mest lovande nya materialen. Dock, forskare över hela världen letar fortfarande efter ett sätt att producera defektfri grafen till låga kostnader. Kemister vid Friedrich-Alexander-Universiät Erlangen-Nürnberg (FAU) har nu för första gången lyckats framställa defektfri grafen direkt från grafit. De publicerade nyligen sina resultat i tidskriften Naturkommunikation .

Grafen är tvådimensionellt och består av ett enda lager av kolatomer. Den är särskilt bra på att leda el och värme, transparent och flexibel men ändå stark. Grafens unika egenskaper gör den lämplig för användning i ett brett spektrum av banbrytande teknologier, som i genomskinliga elektroder för flexibla displayer.

Dock, halvledarindustrin kommer bara att kunna använda grafen framgångsrikt när egenskaper som storlek, area och antal defekter - som påverkar dess konduktivitet - kan förbättras under syntesen. Ett team av FAU-forskare ledda av Dr. Andreas Hirsch från ordföranden för organisk kemi II har nyligen gjort ett avgörande genombrott på detta område. Med hjälp av tillsatsen bensonitril, de har hittat ett sätt att framställa defektfri grafen direkt från en lösning. Deras metod gör att grafenen – som är av högre kvalitet än någonsin uppnåtts – kan skäras utan att orsaka defekter och gör det också möjligt att ställa in specifika elektroniska egenskaper genom antalet laddningsbärare. Vidare, deras teknik är både billig och effektiv.

Ett vanligt sätt att syntetisera grafen är genom kemisk exfoliering av grafit. I denna process, metalljoner är inbäddade i grafit, som är gjord av kol, resulterar i vad som kallas en interkaleringsförening. De enskilda lagren av kol - grafenen - separeras med hjälp av lösningsmedel. Den stabiliserade grafenen måste sedan separeras från lösningsmedlet och återoxideras. Dock, defekter i de enskilda lagren av kol, såsom hydrering och oxidation av kolatomer i gittret, kan inträffa under denna process. FAU-forskare har nu hittat en lösning på detta problem. Genom att tillsätta lösningsmedlet bensonitril, grafenet kan tas bort utan att några ytterligare funktionella grupper bildas - och det förblir defektfritt.

"Denna upptäckt är ett genombrott för experter inom det internationella området för reduktiv grafensyntes, Professor Hirsch förklarar. "Baserat på denna upptäckt kan vi förvänta oss att se stora framsteg när det gäller tillämpningarna av denna typ av grafen som produceras med våtkemisk exfoliering. Ett exempel kan vara att skära defektfri grafen för halvledar- eller sensorteknik.'

Ytterligare fördelar

Metoden som utarbetats av FAU-forskare har ytterligare en fördel:den reducerade bensonitrilmolekylen som bildas under reaktionen blir röd så länge den inte kommer i kontakt med syre eller vatten. Denna färgförändring gör att antalet laddningsbärare i systemet enkelt kan bestämmas genom absorptionsmätningar. Detta kunde tidigare bara göras genom att mäta spänning och gör att grafen- och batteriforskare nu har ett nytt sätt att mäta laddningstillståndet.