Ända sedan upptäckten 2004 har grafen fått uppmärksamhet på grund av dess extraordinära egenskaper, bland annat dess extremt höga bärarrörlighet. Den höga bärarmobiliteten har dock endast observerats med hjälp av tekniker som kräver komplexa och dyra tillverkningsmetoder. Nu rapporterar forskare på Chalmers om en överraskande hög laddningsbärarrörlighet av grafen med mycket billigare och enklare metoder.

"Det här fyndet visar att grafen som överförs till billiga och flexibla substrat fortfarande kan ha en kompromisslöst hög rörlighet, och det banar väg för en ny era av grafen nanoelektronik", säger Munis Khan, forskare vid Chalmers tekniska högskola.

Grafen är det enatomtjocka lagret av kolatomer, känt som världens tunnaste material. Materialet har blivit ett populärt val inom halvledar-, bil- och optoelektronisk industri på grund av dess utmärkta elektriska, kemiska och materialegenskaper. En sådan egenskap är dess extremt höga mobilitet.

"Inom fast tillståndsfysik kännetecknar elektronbärarens rörlighet hur snabbt en elektron kan röra sig genom en metall eller halvledare när den dras av ett elektriskt fält. Den höga elektronrörligheten hos grafen pekar på stor potential för bredbandskommunikation och höghastighetselektronik som arbetar vid terahertz-växlingshastigheter. Dessutom gör de andra materialegenskaperna, såsom hög kemisk stabilitet, utmärkt transparens och elektrisk känslighet för biokemikalier, det till ett lovande material för skärmar, ljusinsamlingsanordningar och biosensorer", säger Munis Khan.

Den extremt höga bärarrörligheten i grafen observeras dock antingen i mekaniskt exfolierad grafen, en process som saknar industriell skalbarhet, eller grafenenheter tillverkade på hexagonal bornitrid. Sådana höga rörligheter har också observerats genom att överföra grafen som odlats genom en process som kallas kemisk ångavsättning (CVD) till komplexoxidheterostrukturer. Alla dessa tekniker kräver komplexa och dyra tillverkningsmetoder, vilket inte bara gör det dyrare utan också hindrar massproduktion av sådana enheter.

Billigare grafen med hög mobilitet för bärare

Nu rapporterar Munis Khan och hans kollegor om en förvånansvärt hög laddningsbärarrörlighet av CVD-grafen odlad på opolerad kopparfolie och överförd till EVA/PET-lamineringsfolie genom att använda en vanlig kontorslaminator och våtetsning av koppar. Rörligheten ökade upp till åtta gånger efter att man helt enkelt höll grafen-på-plast-sandwichen vid 60 C i några timmar.

"Det här fyndet visar att även billiga och flexibla grafenenheter fortfarande kan ha en kompromisslöst hög rörlighet", säger Munis Khan. "Vår artikel föreslår en enkel metod för att tillverka billiga grafenenheter på flexibla substrat med hög bärarmobilitet, troligen endast begränsad av CVD-processen och kopparns renhet."

CVD-grafen som överförs till EVA/PET undersöks och studeras intensivt för flexibel och töjbar elektronik, särskilt i formanpassade system som bärbara energiskördande enheter, elektronisk hud och bärbara elektroniska enheter, som behöver hög flexibilitet och töjbarhet. Konventionella halvledare saknar de överlägsna mekaniska egenskaperna som grafen har, vilket gör dem olämpliga för sådana applikationer – ofta krävs mycket ledande flexibla grafenfilmer med hög bärarrörlighet.

"Vår observation kommer verkligen att öka omfattningen av sådana flexibla grafenfilmer inom detta område. Detta kan också inleda den nya eran av flexibel elektronik. Tillämpningar som kräver mycket ledande tunna filmer kan nu realiseras med en prisvärd och enkel metod som föreslås i vår artikel. I vår forskargrupp avser vi faktiskt att använda sådana grafenfilmer för att göra extremt känsliga biosensorer, terahertzdetektorer och högfrekventa enheter, applikationer som också kräver hög bärarmobilitet. Utmaningen blir att integrera mikrotillverkningstekniker för att göra enheter på flexibla substrat. sådana frågor åtgärdas, förmodligen inom 2-3 år, kan vi börja använda sådana grafenfilmer för att tillverka enheter för industriellt bruk, säger Munis Khan.

Om upptäckten

Kemisk ångavsättning (CVD) av grafen på kommersiella kopparfolier (Cu) ger en skalbar väg mot högkvalitativ enskiktsgrafen. CVD-metoden är baserad på gasformiga reaktanter som deponeras på ett substrat. Grafenen odlas på en metallyta som Cu, Pt eller Ir, varefter den kan separeras från metallen och överföras till specifikt erforderliga substrat. Processen kan enkelt förklaras som kolhaltiga gaser som reagerar vid höga temperaturer (900–1100  grader Celsius) i närvaro av en metallkatalysator, som fungerar både som en katalysator för nedbrytningen av kolarten och som en yta för kärnbildning av grafengittret.

Forskarna har upptäckt att CVD-grafen en gång överförts från koppar till EVA/PET (vanlig lamineringspåse) genom varmpresslaminering, initialt visade låg bärarrörlighet i ett intervall från 500–1000 cm ² /(V s). Men när sådana filmer hölls vid 60 C i flera timmar i ett konstant flöde av kväve, ökade rörligheten åtta gånger och nådde 6000–8000 cm ² /(V s) vid rumstemperatur.

Forskningen publicerades i Nanomaterials . + Utforska vidare

Forskare utvecklar grafenspintronik med 1D-kontakter för att förbättra rörligheten i enheter i nanoskala