211service.com
Jak vyrobit grafen
Grafen – plochá jediná vrstva atomů uhlíku – dokáže přenášet elektrony pozoruhodnou rychlostí, což z něj činí slibný materiál pro elektronická zařízení. Až donedávna byli vědci schopni vyrobit z materiálu pouze malé vločky a pouze v malém množství. Vědci z Rutgers University však vyvinuli snadný způsob, jak vyrobit průhledné grafenové filmy, které jsou několik centimetrů široké a jeden až pět nanometrů tlusté.
Flexibilní proces: Nová výrobní metoda vyvinutá výzkumníky z Rutgers University dokáže uložit film grafenu – atomově tlustý uhlíkový list – na téměř jakýkoli substrát, včetně zde znázorněného flexibilního plastu. Fólie by mohly být použity v tenkovrstvých tranzistorech nebo jako vodivé elektrody pro organické solární články.
Tenké vrstvy grafenu by mohly poskytnout levnou náhradu za průhledné, vodivé elektrody z oxidu india a cínu používané v organických solárních článcích. Mohly by také nahradit křemíkové tenkovrstvé tranzistory běžné na obrazovkách. Grafen dokáže přenášet elektrony desetkrát rychleji než křemík, takže tranzistory na bázi grafenu by mohly pracovat rychleji a spotřebovávat méně energie. (Viz grafenové tranzistory a lepší grafenové tranzistory.)
Ve skutečnosti Rutgers profesor materiálové vědy a inženýrství Manish Chhowalla a jeho kolegové použili své grafenové filmy k výrobě prototypů tranzistorů a organických solárních volání. V nedávném Příroda Nanotechnologie papír , ukázali, že mohou nanášet průhledné filmy na jakýkoli substrát, včetně skla a flexibilního plastu. Chhowalla říká, že metoda by mohla být přizpůsobena ve větším měřítku k pokrytí metrů a metrů substrátů grafenovými filmy pomocí zpracování roll-to-roll, což je technika vyvíjená pro výrobu velkých flexibilních elektronických obvodů.
Naproti tomu současné techniky výroby grafenu poskytují malá množství materiálu, vhodného pouze pro experimentální použití. Jedna běžná technika se nazývá metoda skotské pásky, při níž se kus pásky používá k odlupování grafenových vloček z kousku grafitu, což je v podstatě stoh grafenových listů. Výsledkem jsou fragmenty grafenu o velikosti mikrometru, které jsou umístěny mezi elektrody a vytvářejí tranzistor. Ale pokud mluvíte o zařízeních ve velkém měřítku, chcete dělat makroskopické [listy], říká Hannes Schniepp , výzkumník grafenu na Princetonské univerzitě. K tomu je třeba vést sestavování menších grafenových kousků na velké ploše, říká Schniepp, což je přesně to, co vědci Rutgers dělají.
Vědci začínají vytvořením suspenze vloček oxidu grafenu. Oxidují grafitové vločky kyselinou sírovou nebo dusičnou. To vkládá atomy kyslíku mezi jednotlivé listy grafenu a tlačí je od sebe, což vede k listům oxidu grafenu, které jsou suspendovány ve vodě.
Suspenze se filtruje přes membránu, která má póry široké 25 nanometrů. Voda prochází póry, ale vločky oxidu grafenu, z nichž každá je několik mikrometrů široká a asi jeden nanometr tlustá, póry pokrývají. To se děje regulovaným způsobem, říká Chhowalla. Když vločka zakryje pór, voda je nasměrována k jejím nekrytým sousedům, kteří se následně zakryjí, dokud se vločky nerozdělí po celém povrchu. Tato metoda vám umožňuje nanášet jednotlivé vrstvy grafenu, říká Chhowalla. [To] má za následek téměř stejnoměrný film uložený na membráně. Vědci položí filmem potaženou stranu membrány na substrát, jako je sklo nebo plast, a smyjí membránu acetonem. Nakonec film vystaví chemické látce zvané hydrazin, která přemění oxid grafenu na grafen.
James Tour , profesor chemie na Rice University, říká, že je to určitě nejjednodušší metoda, kterou jsem viděl pro vytváření [tenkých tenkých filmů] na velkých plochách. Myslí si, že tento proces by mohl být snadno převeden na větší výrobní techniku v komerčním měřítku. Je to velmi vhodné pro rychlou výrobu, říká. Vyrobit tyto věci... a pokrýt velké plochy nezabere mnoho.
Chhowalla a jeho kolegové řídí tloušťku filmu změnou objemu suspenze. Objem 20 mililitrů má za následek film o tloušťce většinou jeden až dva nanometry, zatímco suspenze o tloušťce 80 mililitrů poskytuje filmy o tloušťce převážně tři až pět nanometrů. Tenčí fólie jsou z 95 procent průhledné. Vědci použili filmy jako průhledné elektrody v organických solárních článcích. Vyrobili také tranzistory umístěním svých filmů na křemíkový substrát a uložením zlatých elektrod na ně.
Grafenové filmy potřebují mnohem více práce. Právě teď tranzistory nenesou tolik proudu jako ty vyrobené z jednotlivých vloček grafenu, což, jak vědci spekulují, je způsobeno překrývajícími se vločkami v jejich filmech. Pro vysoce kvalitní tranzistory budou muset vyrobit jednovrstvé grafenové filmy bez překrývání. Potřebují také zlepšit vodivost svého filmu: oxid indium-cín je stále ještě stokrát vodivější. Organické solární články s elektrodami z oxidu india a cínu mají účinnost mezi 3 a 5 procenty. S grafenovými tenkovrstvými elektrodami získáme 0,1 procenta, říká Chhowalla, ale jedná se o zařízení pro důkaz koncepce a samozřejmě se časem zlepší.
Tour věří, že film je slibnější pro organické solární články než pro tranzistory. Mnoho výzkumníků také studuje filmy z uhlíkových nanotrubiček jako způsob, jak nahradit povlaky oxidu india a cínu na solárních článcích. Ale Tour říká, že grafen by byl možná snazší než použití uhlíkových nanotrubic kvůli větší dostupnosti materiálu. Průmysl může také snáze přijmout grafen kvůli obavám, které mají někteří lidé z účinků uhlíkových nanotrubic na životní prostředí.