För att skydda grafen från prestationsförsämrande rynkor och föroreningar som förstör dess yta under enhetens tillverkning, MIT-forskare har vänt sig till ett vardagligt material:vax.

Grafen är ett atomtunt material som lovar att göra nästa generations elektronik. Forskare undersöker möjligheter att använda det exotiska materialet i kretsar för flexibel elektronik och kvantdatorer, och i en mängd andra enheter.

Men att ta bort det ömtåliga materialet från substratet det har odlats på och överföra det till ett nytt substrat är särskilt utmanande. Traditionella metoder innesluter grafenen i en polymer som skyddar mot brott men som också introducerar defekter och partiklar på grafenens yta. Dessa avbryter det elektriska flödet och kväver prestandan.

I en tidning publicerad i Naturkommunikation , forskarna beskriver en tillverkningsteknik som applicerar en vaxbeläggning på ett grafenark och värmer upp det. Värme får vaxet att expandera, som jämnar ut grafenet för att minska rynkor. Dessutom, beläggningen kan tvättas bort utan att lämna efter sig mycket rester.

I experiment, forskarnas vaxbelagda grafen presterade fyra gånger bättre än grafen tillverkad med ett traditionellt polymerskyddande lager. Prestanda, I detta fall, mäts i "elektronrörlighet" - vilket betyder hur snabbt elektroner rör sig över ett materials yta - vilket hindras av ytdefekter.

"Som att vaxa ett golv, du kan göra samma typ av beläggning ovanpå storarea grafen och använda den som lager för att plocka upp grafenen från ett metalltillväxtsubstrat och överföra det till vilket substrat som helst, " säger första författaren Wei Sun Leong, en postdoc vid institutionen för elektroteknik och datavetenskap (EECS). "Den här tekniken är mycket användbar, eftersom det löser två problem samtidigt:rynkor och polymerrester."

Medförfattaren Haozhe Wang, en Ph.D. student i EECS, säger att att använda vax kan låta som en naturlig lösning, men det innebar en del tänkande utanför ramarna – eller, mer specifikt, utanför laboratoriet:"Som studenter, vi begränsar oss till sofistikerade material som finns i labbet. Istället, i det här arbetet, vi valde ett material som ofta används i vårt dagliga liv."

Med Leong och Wang på tidningen är:Jing Kong och Tomas Palacios, båda EECS-professorerna; Markus Bühler, professor och prefekt för Institutionen för byggnads- och miljöteknik (CEE); och sex andra doktorander, postdoktorer, och forskare från EECS, CEE, och Institutionen för maskinteknik.

Det "perfekta" skyddet

Att odla grafen över stora ytor, 2D-materialet odlas vanligtvis på ett kommersiellt kopparsubstrat. Sedan, den är skyddad av ett "offer" polymerlager, typiskt polymetylmetakrylat (PMMA). Den PMMA-belagda grafenen placeras i ett kärl med sur lösning tills kopparn är helt borta. Resterande PMMA-grafen sköljs med vatten, torkade sedan, och PMMA-skiktet tas slutligen bort.

Rynkor uppstår när vatten fastnar mellan grafenet och destinationssubstratet, vilket PMMA inte förhindrar. Dessutom, PMMA består av komplexa kedjor av syre, kol, och väteatomer som bildar starka bindningar med grafenatomer. Detta lämnar efter sig partiklar på ytan när den tas bort.

Forskare har försökt modifiera PMMA och andra polymerer för att minska rynkor och rester, men med minimal framgång. MIT-forskarna sökte istället efter helt nya material – till och med när de testade kommersiellt krympplast. "Det var inte så lyckat, men vi försökte, "Wang säger, skrattande.

Efter att ha letat igenom materialvetenskaplig litteratur, forskarna landade på paraffin, den vanliga vitaktiga, genomskinligt vax som används för ljus, polerar, och vattentäta beläggningar, bland andra applikationer.

I simuleringar före testning, Buehlers grupp, som studerar materialens egenskaper, hittade inga kända reaktioner mellan paraffin och grafen. Det beror på paraffins mycket enkla kemiska struktur. "Vax var så perfekt för detta offerlager. Det är bara enkla kol- och vätekedjor med låg reaktivitet, jämfört med PMMA:s komplexa kemiska struktur som binder till grafen, " säger Leong.

Renare överföring

I sin teknik, forskarna smälte först små bitar av paraffinet i en ugn. Sedan, med en spincoater, en mikrotillverkningsmaskin som använder centrifugalkraft för att jämnt sprida material över ett substrat, de släppte paraffinlösningen på ett ark grafen som odlats på kopparfolie. Detta sprider paraffinet i ett skyddande lager, ca 20 mikron tjock, över grafenen.

Forskarna överförde den paraffinbelagda grafenen till en lösning som tar bort kopparfolien. Den belagda grafenen flyttades sedan till ett traditionellt vattenkar, som värmdes till ca 40 grader Celsius. De använde ett kiseldestinationssubstrat för att ösa upp grafenen underifrån och bakade i en ugn inställd på samma temperatur.

Eftersom paraffin har en hög värmeutvidgningskoefficient, den expanderar ganska mycket när den värms upp. Under denna värmeökning, paraffinet expanderar och sträcker ut den fästa grafenen under, effektivt minska rynkor. Till sist, forskarna använde en annan lösning för att tvätta bort paraffinet, lämnar ett monolager av grafen på destinationssubstratet.

I deras tidning, forskarna visar mikroskopiska bilder av ett litet område av den paraffinbelagda och PMMA-belagda grafenen. Paraffinbelagd grafen är nästan helt fri från skräp, medan den PMMA-belagda grafenen ser kraftigt skadad ut, som ett repat fönster.

Eftersom vaxbeläggning redan är vanligt i många tillverkningsapplikationer - som att applicera en vattentät beläggning på ett material - tror forskarna att deras metod lätt kan anpassas till verkliga tillverkningsprocesser. I synnerhet, ökningen i temperatur för att smälta vaxet bör inte påverka tillverkningskostnaderna eller effektiviteten, och värmekällan kan i framtiden ersättas med en lampa, säger forskarna.

Nästa, forskarna strävar efter att ytterligare minimera rynkor och föroreningar som finns kvar på grafenet och skala upp systemet till större ark grafen. De arbetar också med att tillämpa överföringstekniken på tillverkningsprocesser av andra 2D-material.

"Vi kommer att fortsätta att odla de perfekta 2D-materialen för stora områden, så de kommer naturligt utan rynkor, " säger Leong.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.