De fluoreringsstrategie ontsluit het potentieel van grafeen voor opto-elektronische en energietoepassingen

Onderzoekers van de Tohoku Universiteit en medewerkers hebben een zwakke fluoreringsstrategie ontwikkeld om de zero-bandgap-beperking van grafeen aan te pakken. Details van het onderzoek werden gepubliceerd in het tijdschrift Brieven over toegepaste natuurkunde.

In de meeste elektronische materialen bestaat er een ‘poort’, dat wil zeggen een bandgap, die elektriciteit kan tegenhouden of doorlaten. Dit is hoe we de elektriciteit controleren in zaken als computers of telefoons. Maar grafeen heeft zo’n poort niet, wat betekent dat het continu elektriciteit geleidt en niet kan worden uitgeschakeld.

Om dit tegen te gaan hebben wetenschappers vaak een kleine hoeveelheid fluoratomen aan grafeen toegevoegd, waardoor de structuur enigszins is veranderd en een bandgap is geïntroduceerd, zonder de kernvoordelen ervan te beschadigen. Fluorering is echter afhankelijk van het gebruik van gevaarlijke chemicaliën, waardoor het gevaarlijk en onpraktisch is om het op grote schaal toe te passen.

“We hebben een milieuvriendelijke aanpak ontwikkeld, waarbij we fluorpolymeren onder gecontroleerde omstandigheden hebben gebruikt om selectieve fluorering te bereiken”, zegt dr. Yaping Qi, assistent-professor aan de Tohoku Universiteit. “Deze vooruitgang maakt ook verbeterde fotoluminescentie en afstembare transporteigenschappen mogelijk, terwijl de hoge dragermobiliteit behouden blijft, waardoor grafeen beter toepasbaar wordt voor gebruik in opto-elektronische en energie-apparaten.”

Qi en haar collega’s gebruikten geavanceerde technieken, waaronder fotoluminescentie (PL) mapping en Raman-spectroscopie, om te analyseren hoe fluorering de structuur en optische eigenschappen van grafeen verandert. Uit hun tests bleek dat gefluoreerd grafeen het lichtuitzendvermogen heeft verbeterd, waardoor het veelbelovend is voor gebruik in LED’s, sensoren en andere energietechnologieën.

Dit werk sluit ook aan bij recente ontwikkelingen in van der Waals (vdW) heterostructuren, die worden gecreëerd door verschillende 2D-materialen in lagen te leggen om meerdere functies te bereiken. Dergelijke structuren hebben potentiële toepassingen in geheugenopslag, kunstmatige intelligentie en foto-elektrische apparaten.

“De integratie van gefluoreerd grafeen in vdW-heterostructuren opent opwindende mogelijkheden, vooral voor flexibele elektronica en systemen die meerdere taken tegelijk kunnen uitvoeren”, zegt dr. Xichan Gao, co-auteur en assistent-professor aan het Advanced Institute for Materials Research. AIMR) aan de Tohoku-universiteit.

“Dit onderzoek laat zien hoe milieuvriendelijke verwerking de functionele eigenschappen van grafeen aanzienlijk kan verbeteren”, voegt Qi toe.

“Het combineren van fluorering met spanningstechniek opent nieuwe mogelijkheden voor de ontwikkeling van schaalbare, hoogwaardige 2D-materialen, waardoor een pad wordt geboden om de praktische bruikbaarheid van grafeen te vergroten, terwijl de focus blijft liggen op veilige en schaalbare materiaalverwerkingstechnieken.”