En forskargrupp från NIMS har utvecklat en ny teknik för att syntetisera enskiktsfilmer sammansatta av snyggt kaklade tvådimensionella material, såsom oxid nanosheets och grafen, på substratytor på så snabbt som en minut.

En NIMS-forskargrupp ledd av Takayoshi Sasaki har utvecklat en ny teknik för att syntetisera enskiktsfilmer sammansatta av snyggt kaklade tvådimensionella material, såsom oxid nanosheets och grafen, på substratytor på cirka en minut. Tekniken kan underlätta industriell produktion av olika nanoarkbaserade enheter eftersom den erbjuder ett enklare och snabbare alternativ till de konventionella, komplicerade filmtillverkningsprocedurer.

Ultimata tvådimensionella material med tjocklek i atom- eller molekylskala – representerade av grafen- och oxidnanoark – har ett antal extremt önskvärda egenskaper (t.ex. hög ledningsförmåga, höga dielektriska och katalytiska egenskaper). Av denna anledning, deras potential att åstadkomma teknisk innovation inom ett brett spektrum av områden, inklusive elektronik, miljö- och energiteknik har varit mycket efterlängtad, gör dem till föremål för aktiva FoU-insatser över hela världen. Många tvådimensionella material har producerats i kolloidal form (d.v.s. arkmaterial med bredder inom mikrometerområdet dispergerade i lösningar). För att dra full nytta av egenskaperna hos dessa material för enhetstillämpningar, ett viktigt första steg är att placera dem på ett ordnat sätt – som spelkort – på ytan av olika basmaterial. Med andra ord, det är avgörande att utveckla en teknik för att eliminera luckor och överlappning mellan nanoark som är arrangerade i monolagerfilmer. När en monolagerfilm framgångsrikt kan syntetiseras, det kommer att vara möjligt att syntetisera flerskiktsfilmer och supergitterfilmer genom att upprepa monoskiktsfilmsyntesprocessen. Detta tillvägagångssätt kan potentiellt leda till utvecklingen av enheter med olika funktioner. För närvarande, metoden Langmuir-Blodgett (LB) används vanligtvis för att syntetisera monolager som består av snyggt kaklade nanoark. Dock, denna metod är inte praktisk för produktion i industriell skala eftersom den kräver skicklig manipulation och komplexa förhållanden. Dessutom, tillverkningen av filmer med denna metod tar normalt cirka en timme. På grund av dessa problem, det finns en stor efterfrågan på utveckling av enklare, snabbare och mer industriellt praktiska filmtillverkningstekniker.

Forskargruppen lyckades använda en enkel spin-coating-procedur för att syntetisera en monolagerfilm bestående av snyggt kaklade nanoark på ungefär en minut - mycket snabbare än LB-metoden. Specifikt, gruppen applicerade en liten mängd av en organisk suspension innehållande oxidnanoark eller grafen på en substratyta och spinnbelade substratet med lämpliga rotationshastigheter. Den balanserade kombinationen av centrifugalkraft som genereras av det roterande substratet och kraften som finns mellan nanoskivorna och substratytan förhindrar nanoarken från att överlappa eller bilda luckor, vilket resulterar i bildandet av släta enskiktsfilmer på atomnivå. Gruppen bekräftade vidare att upprepning av denna beläggningsprocedur möjliggör att nanoark successivt skiktas till flerskiktsfilmer; därför, filmtjockleken kan styras i steg om nanoskivans tjocklek. Dessutom, gruppen verifierade att denna teknik är tillämpbar på tvådimensionella material som varierar i sammansättning och struktur, och kan användas för att tillverka filmer på ytor av substrat som varierar i form, storlek och material. Därför, denna filmtillverkningsteknik kan anses vara mycket mångsidig.

I den här studien, gruppen lyckades syntetisera filmer sammansatta av snyggt kaklade tvådimensionella nanoark med hjälp av en helt ny mekanism. Ur denna synvinkel, bedriften är värdefull och akademiskt ny. Dessutom, Tekniken möjliggör snabb och enkel tillverkning av monolager och flerlager sammansatta av snyggt kaklade nanosheets – en viktig process vid appliceringen av nanosheetmaterial. Därför, utvecklingen av tekniken kan ses som ett genombrott för att omsätta industriell produktion av nanoarkbaserade enheter i praktiken.

En del av denna studie stöddes av MEXT Grant-in-Aid for a Scientific Research (A)-projekt med titeln "Bionbrytande nya funktioner för tvådimensionella oorganiska nanoark genom att bilda flerskiktiga heterostrukturer."

Denna studie publicerades i onlineversionen av Vetenskapens framsteg .