Grafeen verbetert circuits in flexibele en draagbare elektronica

Met 200 keer sterker dan staal, wordt grafeen sinds de ontdekking in 2004 geprezen als een supermateriaal van de toekomst. Het ultradunne koolstofmateriaal is een ongelooflijk sterke elektrische en thermische geleider, waardoor het een perfect ingrediënt is om halfgeleiderchips te verbeteren die in veel elektrische apparaten.

Maar terwijl het op grafeen gebaseerde onderzoek versneld is verlopen, heeft het nanomateriaal obstakels geraakt: met name fabrikanten zijn er niet in geslaagd om grote, industrieel relevante hoeveelheden van het materiaal te creëren. Nieuw onderzoek van het laboratorium van Nai-Chang Yeh, de Thomas W. Hogan hoogleraar natuurkunde, blaast de grafeenrage nieuw leven in.

In twee nieuwe onderzoeken tonen de onderzoekers aan dat grafeen de elektrische circuits die nodig zijn voor draagbare en flexibele elektronica, zoals slimme gezondheidspatches, buigbare smartphones, helmen, grote opvouwbare schermen en meer, aanzienlijk kan verbeteren.

In een studie, gepubliceerd in ACS Toegepaste Materialen & Interfaces, groeiden de onderzoekers grafeen rechtstreeks op dunne tweedimensionale koperen lijnen die vaak worden gebruikt in de elektronica. De resultaten toonden aan dat het grafeen niet alleen de geleidende eigenschappen van de lijnen verbeterde, maar ook de op koper gebaseerde structuren beschermde tegen gebruikelijke slijtage. Ze toonden bijvoorbeeld aan dat met grafeen gecoate koperstructuren 200.000 keer zonder schade konden worden gevouwen, in vergelijking met de originele koperstructuren, die na 20.000 vouwen begonnen te barsten. De resultaten tonen aan dat grafeen kan helpen bij het creëren van flexibele elektronica met een langere levensduur.

De tweede studie, gepubliceerd in ACS toegepaste nanomaterialen, toonde aan dat goud bedekt met grafeen beter bestand was tegen het zweet van het lichaam van een persoon en dus betere implanteerbare biosensoren zou maken. Goud is een veelgebruikt ingrediënt dat wordt gebruikt bij de ontwikkeling van implanteerbare biosensoren of slimme patches – apparaten op nanoschaal voor het bewaken van verschillende gezondheidsproblemen. Grafeen vertraagt ​​de snelheid waarmee het goud corrodeert.

De twee onderzoeken, naast een derde studie in ACS Toegepaste Materialen & Interfaces waaruit blijkt dat grafeen elektrische circuits kan beschermen die zijn geproduceerd via inkjetprinters, gebruikte de unieke methode van de Yeh-groep voor het kweken van grafeen. In 2015 kondigden Yeh en haar collega’s, waaronder senior onderzoekswetenschapper David Boyd, aan dat ze een betere, meer kosteneffectieve en milieuvriendelijke manier hadden bedacht om grafeen op materialen te laten groeien. Deze methode, die plasma-versterkte chemische dampafzetting wordt genoemd, kan worden gebruikt om grafeenplaten van hoge kwaliteit, slechts één atoom dik, in ongeveer 15 minuten bij kamertemperatuur te laten groeien. Dit in tegenstelling tot andere methoden die veel hogere temperaturen en agressieve chemicaliën vereisen en enkele uren in beslag nemen.

“Flexibele en draagbare elektronica kan worden gemaakt van zachte materialen zoals polymeren die niet bestand zijn tegen hoge temperaturen”, zegt Chen-Hsuan (Steve) Lu, een afgestudeerde Caltech-student en hoofdauteur van de drie onderzoeken. “Onze methode stelt ons in staat om grafeen direct op de substraten te kweken bij een lage temperatuur, waardoor schade aan gevoelige materialen wordt voorkomen.”

Yeh voegt eraan toe dat hun grafeengroeimethode, die kan worden opgeschaald voor industriële behoeften, compatibel is met tal van andere toepassingen naast flexibele en draagbare elektronica.

“Onze methode is zeer compatibel met alle soorten substraten, variërend van kleine metalen met nanostructuur tot halfgeleidende materialen en zelfs kunststoffen. Omdat we geen hoge temperaturen nodig hebben, kan deze methode voor veel toepassingen op verschillende substraten worden gebruikt”, zegt ze. zegt.

Roze plasma

De methode van de groep voor het kweken van vellen grafeen wordt uitgevoerd in hun kelderlaboratorium. Een plasmastraal, die roze gloeit, wordt gebruikt om een ​​gas van waterstof- en methaanmoleculen te activeren en op te splitsen in kleinere fragmenten. Het monster, zoals een tweedimensionale koperlijn, wordt vervolgens ondergedompeld in het plasma en de koolstof uit het gas wordt op het oppervlak afgezet in dunne platen van één atoom dik. Het uiteindelijke oppervlak met het grafeen zal glanzender lijken.

“Omdat het monster in het plasma wordt ondergedompeld zonder de noodzaak van actieve verwarming tot ongeveer 1000 graden Celsius door een hete oven, wat het geval is bij andere methoden, wordt groei bij veel lagere temperaturen mogelijk”, zegt Lu.

Voor de studie die het vermogen van grafeen testte om de flexibiliteit van elektronica te verbeteren, werkte het team samen met de Materials and Chemical Research Laboratories van de Taiwanese organisatie Industrial Technology Research Institute (ITRI). Het Caltech-team creëerde met grafeen gecoate koperstructuren die lijken op wat zou worden gebruikt in flexibele elektronica en liet ze vervolgens vouwen door hun partners bij ITRI; het bedrijf heeft de apparatuur die nodig is om de structuren honderdduizenden keren herhaaldelijk te vouwen. “Ik heb geprobeerd en kon daar niet staan ​​en de materialen zelf zo lang vouwen”, grapt Lu.

“Het ITRI speelt al tientallen jaren een belangrijke rol bij het overbruggen van laboratoriumonderzoek naar industriële producties in Taiwan. Het bekendste voorbeeld van veel spin-offbedrijven van ITRI is de Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), momenteel ’s werelds grootste en toonaangevende halfgeleidergieterij”, zegt Yeh, die onlangs naar Taiwan reisde om haar medewerkers bij ITRI te bezoeken.

In dezelfde studie toonden de onderzoekers ook aan dat grafeen de chemische stabiliteit en elektrische geleidbaarheid van de koperstructuren zou kunnen verbeteren, naast de structurele flexibiliteit. “We legden slechts twee atomaire lagen grafeen op deze dunne koperen lijnen en zagen dat ze na enkele maanden prachtig onveranderd waren”, zegt Yeh.

De tweede studie testte of grafeen de duurzaamheid van goudstructuren die in implanteerbare biosensoren worden gebruikt, zou kunnen beschermen. De onderzoekers kweekten grafeen op goud en stelden het materiaal vervolgens bloot aan zoutoplossingen die zweet nabootsen. De resultaten toonden aan dat de met grafeen gecoate structuur intact bleef onder omstandigheden die equivalent zijn aan ongeveer een maand bij normale menselijke lichaamstemperaturen, veel langer dan wat mogelijk is met alleen goud.

“Ik was me niet bewust van het volledige potentieel van grafeen toen ik er voor het eerst mee begon”, zegt Lu. “Maar toen realiseerde ik me hoe het in combinatie met andere materialen voor zoveel toepassingen kan worden gebruikt. Mijn kamergenoot [co-author Kuang Ming (Allen) Shang] en ik dronk een boba-thee toen we ons realiseerden dat we konden testen of grafeen goud zou kunnen beschermen tegen de corrosieve effecten van zweet.” Lu zegt dat zijn favoriete Taiwanese drank, boba-thee, hem tot nieuwe ideeën inspireert.

Wat is de toekomst voor grafeen?

Hoewel grafeen meer tijd nodig heeft gehad om zijn weg naar de elektronica te vinden dan eerst werd verwacht, ziet de toekomst er rooskleurig uit. Naast het gebruik van grafeen in draagbare en flexibele elektronica, onderzoekt Yeh het potentieel van grafeen in alles, van energieonderzoek en optische communicatie tot milieuvriendelijke batterijen en meer.

Grafeen is volgens haar ook de sleutel tot het groeiende gebied van nano-elektronica, dat tot doel heeft kleinere versies te maken van de elektronica die tegenwoordig veel wordt gebruikt. Grafeen kan worden gebruikt in combinatie met silicium om apparaten te verkleinen tot kleinere en kleinere formaten.

“Grafeen kan, in combinatie met andere materialen, onze nanotechnologieën kleiner en sneller maken. Het leidt tot een lagere warmteafvoer en een lager energieverbruik. In ons lab gebruiken we grafeen voor zoveel dingen. Het is spannend”, zegt ze.