Ett nytt sätt att göra stora ark av hög kvalitet, atomtunn grafen kan leda till ultralätt, flexibla solceller, och till nya klasser av ljusemitterande enheter och annan tunnfilmselektronik.

Den nya tillverkningsprocessen, som utvecklades på MIT och borde vara relativt lätt att skala upp för industriell produktion, innebär ett mellanliggande "buffert" -skikt av material som är nyckeln till teknikens framgång. Bufferten tillåter det ultratunna grafenarket, mindre än en nanometer (miljarddels meter) tjock, att enkelt lyftas från dess underlag, möjliggör snabb tillverkning av rullar.

Processen är detaljerad i en artikel publicerad igår Avancerade funktionella material , av MIT postdocs Giovanni Azzellino och Mahdi Tavakoli; professorer Jing Kong, Tomas Palacios, och Markus Buehler; och fem andra på MIT.

Att hitta ett sätt att göra tunna, stort område, transparenta elektroder som är stabila i friluft har varit en stor strävan inom tunnfilmselektronik de senaste åren, för en mängd olika tillämpningar i optoelektroniska enheter - saker som antingen avger ljus, som dator- och smartphone -skärmar, eller skörda den, som solceller. Dagens standard för sådana applikationer är indiumtennoxid (ITO), ett material baserat på sällsynta och dyra kemiska element.

Många forskargrupper har arbetat med att hitta en ersättare för ITO, med fokus på både organiska och oorganiska kandidatmaterial. Grafen, en form av rent kol vars atomer är arrangerade i en platt sexkantig grupp, har extremt goda elektriska och mekaniska egenskaper, ändå är den försvinnande tunn, fysiskt flexibel, och gjord av en riklig mängd, billigt material. Vidare, det kan enkelt odlas i form av stora ark genom kemisk ångavsättning (CVD), med koppar som fröskikt, som Kongs grupp har visat. Dock, för apparapplikationer, den svåraste delen har varit att hitta sätt att släppa ut CVD-odlad grafen från sitt nativa kopparsubstrat.

Denna utgåva, känd som grafenöverföringsprocess, tenderar att resultera i en tårväv, rynkor, och defekter i arken, som stör filmkontinuiteten och därför drastiskt minskar deras elektriska konduktivitet. Men med den nya tekniken, Azzellino säger, "nu kan vi på ett tillförlitligt sätt tillverka grafenark med stor yta, överför dem till vilket underlag vi vill, och hur vi överför dem påverkar inte de elektriska och mekaniska egenskaperna hos den orörda grafen. "

Nyckeln är buffertlagret, tillverkad av ett polymermaterial som kallas parylen, som överensstämmer på atomnivå med grafenarken på vilka det distribueras. Som grafen, parylene produceras av CVD, vilket förenklar tillverkningsprocessen och skalbarheten.

Som en demonstration av denna teknik, laget gjorde proof-of-concept solceller, anta ett tunnfilmspolymeriskt solcellsmaterial, tillsammans med det nybildade grafenskiktet för en av cellens två elektroder, och ett parylenskikt som också fungerar som ett anordningssubstrat. De mätte en optisk transmittans nära 90 procent för grafenfilmen under synligt ljus.

Den prototypade grafenbaserade solcellen förbättras med ungefär 36 gånger den levererade effekten per vikt, jämfört med ITO-baserade toppmoderna enheter. Den använder också 1/200 mängden material per ytenhet för den transparenta elektroden. Och, det finns en ytterligare grundläggande fördel jämfört med ITO:"Graphene kommer nästan gratis, "Säger Azzellino.

"Ultralätta grafenbaserade enheter kan bana väg för en ny generation applikationer, "säger han." Så om du tänker på bärbara enheter, kraften per vikt blir en mycket viktig merit. Vad händer om vi kunde distribuera en transparent solcell på din surfplatta som kan driva själva surfplattan? "Även om det skulle behövas ytterligare utveckling, sådana applikationer bör i slutändan vara möjliga med denna nya metod, han säger.

Buffermaterialet, parylene, används ofta i mikroelektronikindustrin, vanligtvis för att inkapsla och skydda elektroniska enheter. Så leveranskedjorna och utrustningen för att använda materialet är redan utbredd, Säger Azzellino. Av de tre existerande typerna av parylen, lagets tester visade att en av dem, som innehåller fler kloratomer, var den överlägset mest effektiva för denna applikation.

Den atomära närheten av klorrik parylen till den underliggande grafen när lagren är inklämda ger en ytterligare fördel, genom att erbjuda ett slags "dopning" för grafen, äntligen tillhandahålla en mer tillförlitlig och icke-destruktiv metod för konduktivitetsförbättring av stor yta grafen, unlike many others that have been tested and reported so far.

"The graphene and the parylene films are always face-to-face, " Azzellino says. "So basically, the doping action is always there, and therefore the advantage is permanent."

This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.