Moleculaire bruggen voeden gedrukte elektronica

De afschilfering van grafiet in grafeenlagen inspireerde het onderzoek van duizenden gelaagde materialen: waaronder overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD’s). Deze halfgeleiders kunnen worden gebruikt om geleidende inkten te maken om geprinte elektronische en opto-elektronische apparaten te vervaardigen. Gebreken in hun structuur kunnen hun prestaties echter belemmeren. Nu hebben onderzoekers van Graphene Flagship deze hindernissen overwonnen door ‘moleculaire bruggen’ te introduceren, kleine moleculen die de TMD-vlokken met elkaar verbinden, waardoor de geleidbaarheid en de algehele prestaties worden verbeterd.

De resultaten, gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie, komen voort uit een multidisciplinaire samenwerking tussen Graphene Flagship-partners de Universiteit van Straatsburg en CNRS, Frankrijk, AMBER en Trinity College Dublin, Ierland, en Cambridge Graphene Centre, Universiteit van Cambridge, VK. De toegepaste moleculaire bruggen verhogen de mobiliteit van de drager – een fysische parameter die verband houdt met de elektrische geleidbaarheid – vertienvoudigd.

TMD-inkten worden op veel gebieden gebruikt, van elektronica en sensoren tot katalyse en biogeneeskunde. Ze worden meestal vervaardigd met behulp van exfoliatie in de vloeistoffase, een techniek die is ontwikkeld door het Graphene Flagship en die de massaproductie van grafeen en gelaagde materialen mogelijk maakt. Maar hoewel deze technologie grote productvolumes oplevert, heeft ze enkele beperkingen. Het afschilferingproces kan defecten veroorzaken die de prestaties van het gelaagde materiaal beïnvloeden, vooral als het gaat om het geleiden van elektriciteit.

Geïnspireerd door organische elektronica – het veld achter succesvolle technologieën zoals organische lichtemitterende diodes (OLED’s) en goedkope zonnecellen – vond het Graphene Flagship-team een ​​oplossing: moleculaire bruggen. Met deze chemische structuren wisten de onderzoekers twee vliegen in één klap te slaan. Ten eerste hebben ze TMD-vlokken met elkaar verbonden, waardoor een netwerk ontstaat dat het ladingstransport en de geleidbaarheid mogelijk maakt. De moleculaire bruggen verdubbelen zich als muren, genezen de chemische defecten aan de randen van de vlokken en elimineren elektrische vacatures die anders energieverlies zouden bevorderen.

Bovendien bieden moleculaire bruggen onderzoekers een nieuw hulpmiddel om de geleidbaarheid van TMD-inkten naar wens aan te passen. Als de brug een geconjugeerd molecuul is – een structuur met dubbele bindingen of aromatische ringen – is de mobiliteit van de drager hoger dan bij gebruik van verzadigde moleculen, zoals koolwaterstoffen. “De structuur van de moleculaire brug speelt een sleutelrol”, legt Paolo Samorì uit, van Graphene Flagship-partner van de Universiteit van Straatsburg, Frankrijk, die het onderzoek leidde. “We gebruiken moleculen die di-thiolen worden genoemd, die je gemakkelijk kunt kopen in de catalogus van elke chemische leverancier”, voegt hij eraan toe. Hun beschikbare structurele diversiteit opent een wereld van mogelijkheden om de geleidbaarheid te reguleren en aan te passen aan elke specifieke toepassing. “Moleculaire bruggen zullen ons helpen veel nieuwe functies te integreren in op TMD gebaseerde apparaten”, vervolgt Samorì. “Deze inkten kunnen op elk oppervlak worden bedrukt, zoals plastic, stof of papier, waardoor een hele reeks nieuwe schakelingen en sensoren voor flexibele elektronica en wearables mogelijk is.”

Maria Smolander, Graphene Flagship Work Package Leader for Flexible Electronics, voegt eraan toe: “Dit werk is van groot belang als een cruciale stap naar de volledige exploitatie van oplossingsgebaseerde fabricagemethoden zoals printen in flexibele elektronica. Het gebruik van de covalent gebonden bruggen verbetert beide de structurele en elektrische eigenschappen van de dunne lagen op basis van TMD-vlokken. “

Andrea C. Ferrari, Science and Technology Officer van het Graphene Flagship en voorzitter van het Management Panel, voegt eraan toe: “Het Graphene Flagship was een pionier in zowel vloeibare fase-afschilfering als inkjetprinten van grafeen en gelaagde materialen. Deze technieken kunnen grote hoeveelheden materialen produceren en verwerken. . Dit papier is een belangrijke stap om gelaagde halfgeleidermaterialen beschikbaar te maken voor bedrukte, flexibele en draagbare elektronica, en het schuift opnieuw de stand van de techniek naar voren. ”