Ny forskning avslöjar varför "supermaterialet" grafen inte har förändrat elektroniken som utlovat, och visar hur man fördubblar dess prestanda och slutligen utnyttjar dess extraordinära potential.

Grafen är det starkaste materialet som någonsin testats. Det är också flexibelt, transparent och leder värme och el 10 gånger bättre än koppar.

Efter att grafenforskningen vann Nobelpriset i fysik 2010 hyllades det som ett transformativt material för flexibel elektronik, kraftfullare datorchips och solpaneler, vattenfilter och biosensorer. Men prestandan har varit blandad och industrins antagande långsam.

Nu publiceras en studie i Naturkommunikation identifierar kiselkontamination som grundorsaken till nedslående resultat och detaljer om hur man producerar högre prestanda, ren grafen.

RMIT University-teamet ledd av Dr. Dorna Esrafilzadeh och Dr. Rouhollah Ali Jalili inspekterade kommersiellt tillgängliga grafenprover, atom för atom, med ett toppmodernt scanningsövergångselektronmikroskop.

"Vi hittade höga nivåer av kiselkontamination i kommersiellt tillgänglig grafen, med massiv inverkan på materialets prestanda, " sa Esrafilzadeh.

Tester visade att kisel som finns i naturlig grafit, råmaterialet som används för att göra grafen, togs inte bort helt när den bearbetades.

"Vi tror att denna kontaminering är kärnan i många till synes inkonsekventa rapporter om egenskaperna hos grafen och kanske många andra atomärt tunna tvådimensionella (2-D) material, " sa Esrafilzadeh.

"Graphene ansågs vara transformativt, men har hittills misslyckats med att få en betydande kommersiell inverkan, liksom några liknande 2-D nanomaterial. Nu vet vi varför det inte har fungerat som utlovat, och vad som behöver göras för att utnyttja dess fulla potential."

Testningen identifierade inte bara dessa föroreningar utan visade också den stora inverkan de har på prestanda, med kontaminerat material som presterar upp till 50 % sämre när de testas som elektroder.

"Denna nivå av inkonsekvens kan ha hindrat framväxten av stora industritillämpningar för grafenbaserade system. Men det förhindrar också utvecklingen av regelverk som styr implementeringen av sådana skiktade nanomaterial, som är avsedda att bli ryggraden i nästa generations enheter, " Hon sa.

Den tvådimensionella egenskapen hos grafenplåt, som bara är en atom tjock, gör den idealisk för ellagring och ny sensorteknik som är beroende av stor yta.

Denna studie avslöjar hur den 2D-egenskapen också är grafens akilleshäl, genom att göra det så känsligt för ytföroreningar, och understryker hur viktig grafit med hög renhet är för produktion av mer ren grafen.

Använder ren grafen, forskare visade hur materialet fungerade utomordentligt bra när det användes för att bygga en superkondensator, ett slags superbatteri.

När den testades, enhetens kapacitet att hålla elektrisk laddning var enorm. Faktiskt, det var den största kapaciteten som hittills registrerats för grafen och inom synhåll för materialets förutspådda teoretiska kapacitet.

I samarbete med RMITs Center for Advanced Materials and Industrial Chemistry, teamet använde sedan ren grafen för att bygga en mångsidig fuktighetssensor med den högsta känsligheten och den lägsta detektionsgränsen som någonsin rapporterats.

Dessa fynd utgör en viktig milstolpe för den fullständiga förståelsen av atomärt tunna tvådimensionella material och deras framgångsrika integration i högpresterande kommersiella enheter.

"Vi hoppas att denna forskning kommer att hjälpa till att låsa upp den spännande potentialen hos dessa material."