Exfolieringen av grafit till grafenlager inspirerade undersökningen av tusentals skiktade material:bland dem övergångsmetalldikalkogenider (TMD). Dessa halvledare kan användas för att tillverka ledande bläck för att tillverka tryckta elektroniska och optoelektroniska enheter. Dock, defekter i deras struktur kan hindra deras prestanda. Nu, Grafen flaggskeppsforskare har övervunnit dessa hinder genom att introducera "molekylära broar, ' små molekyler som sammanbinder TMD-flingorna, vilket ökar konduktiviteten och den totala prestandan.

Resultaten, publiceras i Naturen nanoteknik, kommer från ett tvärvetenskapligt samarbete mellan Graphene Flagship-partners University of Strasbourg och CNRS, Frankrike, AMBER och Trinity College Dublin, Irland, och Cambridge Graphene Centre, Universitetet i Cambridge, STORBRITANNIEN. De använda molekylära bryggorna ökar bärarmobiliteten - en fysisk parameter relaterad till den elektriska ledningsförmågan - tio gånger.

TMD-bläck används inom många områden, från elektronik och sensorer till katalys och biomedicin. De tillverkas vanligtvis med exfoliering i flytande fas, en teknik utvecklad av Graphene Flagship som möjliggör massproduktion av grafen och lagermaterial. Men, även om denna teknik ger stora produktvolymer, det har vissa begränsningar. Exfolieringsprocessen kan skapa defekter som påverkar det skiktade materialets prestanda, speciellt när det gäller att leda el.

Inspirerad av organisk elektronik – fältet bakom framgångsrika teknologier som organiska lysdioder (OLED) och lågprissolceller – hittade Graphene Flagship-teamet en lösning:molekylära broar. Med dessa kemiska strukturer, forskarna lyckades slå två flugor i en smäll. Först, de kopplade TMD-flingor till varandra, skapa ett nätverk som underlättar laddningstransporten och konduktiviteten. De molekylära broarna fungerar som väggar, läka de kemiska defekterna vid flingornas kanter och eliminera elektriska tomrum som annars skulle främja energiförlust.

Vidare, molekylära broar ger forskare ett nytt verktyg för att skräddarsy konduktiviteten hos TMD-bläck efter behov. Om bryggan är en konjugerad molekyl - en struktur med dubbelbindningar eller aromatiska ringar - är bärarrörligheten högre än när man använder mättade molekyler, såsom kolväten. "Den molekylära bryggans struktur spelar en nyckelroll, " förklarar Paolo Samorì, från Graphene Flagship Partner University of Strasbourg, Frankrike, som ledde studien. "Vi använder molekyler som kallas di-tioler, som du lätt kan köpa från alla kemikalieleverantörers katalog, " tillägger han. Deras tillgängliga strukturella mångfald öppnar en värld av möjligheter att reglera konduktiviteten, anpassa den till varje specifik applikation. "Molekylära broar kommer att hjälpa oss att integrera många nya funktioner i TMD-baserade enheter, " fortsätter Samorì. "Dessa bläck kan tryckas på vilken yta som helst, som plast, tyg eller papper, möjliggör en hel mängd nya kretsar och sensorer för flexibel elektronik och wearables."

Maria Smolander, Graphene flaggskeppsarbetspaketledare för flexibel elektronik, tillägger:"Detta arbete är av stor betydelse som ett avgörande steg mot fullt utnyttjande av lösningsbaserade tillverkningsmetoder som tryckning i flexibel elektronik. Användningen av de kovalent bundna bryggorna förbättrar både de strukturella och elektriska egenskaperna hos de tunna skikten baserade på TMD. flingor."

Andrea C. Ferrari, Science and Technology Officer för Graphene Flagship och ordförande för dess ledningspanel, tillägger:"The Graphene Flagship var banbrytande för både flytande fasexfoliering och bläckstråleutskrift av grafen och skiktade material. Dessa tekniker kan producera och hantera stora volymer material. Detta papper är ett nyckelsteg för att göra halvledande skiktade material tillgängliga för tryckta, flexibel och bärbar elektronik, och återigen driver utvecklingen framåt."