Een pad-instellende methode om uitgebreide toepassingen voor grafeen mogelijk te maken

Supersterk en slechts één atoom dik, grafeen is veelbelovend als nanomateriaal voor alles, van micro-elektronica tot schone energieopslag. Maar het ontbreken van één eigenschap heeft het gebruik ervan beperkt. Nu hebben onderzoekers van Princeton University en het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) dat probleem overwonnen door plasma bij lage temperatuur te gebruiken, door een nieuwe techniek te creëren die de deur opent naar een breed scala aan industriële en wetenschappelijke toepassingen voor het veelbelovende nanomateriaal.

Sterker dan staal

Grafeen, dat harder is dan diamanten en sterker dan staal, zou een basis kunnen vormen voor technologieën van de volgende generatie. Maar de afwezigheid van een eigenschap die een band gap wordt genoemd in het potlood-loodgrafiet waaruit grafeen bestaat, beperkt zijn vermogen om te functioneren als een halfgeleider, het materiaal in het hart van micro-elektronische apparaten. Halfgeleiders isoleren en geleiden elektrische stroom, maar hoewel grafeen een uitstekende geleider is, kan het niet als isolator dienen zonder een bandgap.

“Mensen gebruiken silicium met een bandgap voor halfgeleiders”, zegt Fang Zhao, hoofdauteur van een artikel in het tijdschrift Koolstof die het nieuwe proces beschrijft. “Het openen van een aanzienlijke bandkloof op grafeen heeft geleid tot intense studies voor het gebruik van halfgeleiders”, zegt Zhao, een natuurkundige van het Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), die het artikel schreef terwijl hij postdoctoraal onderzoeker was in Princeton.

Het dilemma heeft ertoe geleid dat wetenschappers over de hele wereld manieren hebben onderzocht om een ​​bandgap in grafeen te produceren om de potentiële toepassingen ervan uit te breiden. Een populaire methode was om het oppervlak van grafeen chemisch te modificeren met waterstof, een proces dat ‘hydrogenering’ wordt genoemd. Maar de conventionele manier om dit te doen, produceert onomkeerbaar etsen en sputteren dat binnen enkele seconden of minuten ernstige schade kan toebrengen aan het oppervlak van grafeen – bekend als een 2D-materiaal vanwege zijn ultradunne aard.

Wetenschappers van Princeton en PPPL hebben nu aangetoond dat een nieuwe methode voor het hydrogeneren van grafeen veilig de deur kan openen naar uitgebreide micro-elektronische toepassingen. De methode markeert een nieuwe manier om waterstofplasma te produceren dat de waterstofdekking in het 2D-materiaal aanzienlijk verbreedt. “Dit proces zorgt voor veel langere waterstofbehandelingen vanwege de lage grafeenschade,” zei Zhao.

Plasma, de hete, geladen toestand van materie die bestaat uit vrije elektronen en atoomkernen, vormt 99 procent van het zichtbare universum. Het waterstofplasma bij lage temperatuur dat PPPL heeft ontwikkeld om grafeen te hydrogeneren, staat in contrast met de miljoen-graden fusieplasma’s die lange tijd het kenmerk zijn geweest van PPPL-onderzoek, dat tot doel heeft veilige, schone en overvloedige fusie-energie te ontwikkelen voor het opwekken van elektriciteit.

Spin-off van Ptolemaeus

De nieuwe methode komt voort uit een experiment genaamd Ptolemaeus, een universiteitsproject dat de natuurkundige Chris Tully van Princeton heeft ontwikkeld met hulp van Zhao. Dat project maakt gebruik van het verval van tritium, de radioactieve isotoop van waterstof, in een poging om relikwie neutrino’s te vangen die slechts enkele seconden na de oerknal ontstonden die het universum creëerde. Dergelijke relikwieën zouden nieuw licht kunnen werpen op de oerknal, volgens het Ptolemaeus-project.

Om de detectiesnelheid van het verval te verbeteren, wendde Tully zich tot PPPL-natuurkundige Yevgeny Raitses, die aan het hoofd staat van plasmaonderzoek bij lage temperaturen bij PPPL. “De bereidheid van PPPL om hun krachten te bundelen en transformationele 2D-materiaaleigenschappen tot stand te brengen, is inspirerend”, zei Tully. “Het wereldrecord breken in de opbrengst van grafeenhydrogenering is een eerbetoon aan de unieke mogelijkheden van PPPL.”

Raitses en collega’s ontwikkelden een methode om de dekking van waterstof in het grafeen dat het tritiumverval herbergt, uit te breiden. Het proces verhoogt de toekomstige toepassingen van grafeen aanzienlijk. “Deze spin-off van Ptolemaeus kan nu worden gebruikt voor micro-elektronica, QIS [quantum information science] en andere toepassingen,” zei Raitses. “De methode kan ook worden toegepast op andere 2D-materialen.”

De spin-off combineert elektrische en magnetische velden om een ​​waterstofplasma te produceren dat overvloedig waterstof levert met weinig schade aan het grafeen. Deze zachte en goed gecontroleerde methode is zelf een spin-off van onderzoek dat Raitses ontwikkelde tijdens het bestuderen van Hall-stuwraketten, op plasma gebaseerde motoren voor de voortstuwing van ruimtevaartuigen. De techniek heeft grafeen tot 30 minuten gehydrogeneerd in PPPL-experimenten, waardoor de waterstofdekking aanzienlijk wordt vergroot en een bandgap wordt geopend die grafeen in halfgeleidermateriaal verandert.

Dit alles, zegt de Koolstof papier, creëert een aantrekkelijke methode om 2D-materialen “spannend en opkomend” te maken [sources] voor omvangrijke toepassingen.”

Aan dit artikel werkten ook de Princeton-natuurkundigen Chris Tully en Andi Tan samen met chemicus Xiaofang Yang van het Princeton Department of Chemical and Biological Engineering. Ondersteuning voor dit werk komt van het DOE Office of Science (FES) en het Air Force Office of Scientific Research.