Het toevoegen van vreemde atomen aan grafeen versterkt de eigenschappen ervan

Monolaag grafeen vindt praktische toepassingen op veel gebieden, dankzij de gewenste intrinsieke eigenschappen. Deze eigenschappen kunnen echter ook de mogelijkheden ervan beperken. De toevoeging van vreemde atomen kan helpen, maar vereist nauwkeurige controle. Nu hebben onderzoekers uit Zuid-Korea een eenvoudige methode uitgevonden om fijne controle te krijgen over de integratie van vreemde atomen met grafeen, waarbij ze samengestelde, op grafeen gebaseerde heterostructuren ontwikkelden die kunnen worden gebruikt om energie tegen lage kosten op te slaan en ultradunne, draagbare elektronica te fabriceren.

Er zijn maar weinig materialen die zo in de schijnwerpers staan ​​als grafeen. Sinds de ontdekking is grafeen de standaard geworden voor bijna elke technologie die er is, dankzij de uitzonderlijke eigenschappen zoals een groot oppervlak, chemische stabiliteit en hoge mechanische sterkte en elasticiteit. Ondanks de schijnbaar onbeperkte toepassingen blijft het potentieel van grafeen onderbenut vanwege verschillende factoren, met name de dikte van één atoom, chemische inertie en het ontbreken van een energiekloof.

Een manier om deze beperkingen te overwinnen, is door grafeen te integreren met andere materialen, zoals metalen, isolatoren en halfgeleiders, om composietstructuren met gewenste eigenschappen te vormen. Onderzoekers voegen bijvoorbeeld metaaloxiden toe aan grafeen om grafeenmonolaag/metaaloxide-nanostructuren (GML/MONS’s) te creëren die verbeterde fysische en chemische eigenschappen hebben. Het afzetten van uniforme lagen metaaloxiden over grafeen zonder de kenmerken van de grafeenlaag te verstoren, is echter een enorme uitdaging.

In een nieuwe studie gepubliceerd in Nano-energie, heeft een team van materiaalwetenschappers uit Zuid-Korea nu GML/MONS’s ontwikkeld met behulp van een lage-temperatuurtechniek die bekend staat als elektrochemische depositie, waarbij ze metaaloxide-nanostructuren uitsluitend op de oorspronkelijke defectlocaties van grafeen groeiden. Ze bereikten dit door een grafeenlaag van één atoom dik onder te dompelen in een metaaloxide-precursoroplossing. Door de depositietijd aan te passen, konden de wetenschappers het metaaloxide nauwkeurig op de grafeenmonolaag afzetten, waardoor composietstructuren met unieke eigenschappen in het proces ontstonden. “Metaaloxide geïntegreerde grafeenmonolagen met lagere dichtheden (≤30 g/cm²) hebben minder defecten, terwijl die met hogere dichtheden synergetische eigenschappen hebben”, legt professor Sungwon Lee uit van het Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology (DGIST), Zuid-Korea, die deel uitmaakte van het onderzoeksteam.

Door de dikte en dichtheid van het metaaloxide te regelen, ontwikkelden de wetenschappers kobaltoxide met hoge energiedichtheid (Co₃O₄)/GML-gebaseerde micro-supercondensatoren die als stroombron kunnen worden gebruikt, en ultradunne zinkoxide (ZnO)/GML-gebaseerde fotoweerstanden die uitstekende flexibiliteit en draagbaarheid bezaten.

De wetenschappers zijn enthousiast over de toekomstperspectieven van hun nieuwe methodologie. “Deze nieuwe klasse heterostructuren zou kunnen worden gebruikt voor de fabricage van niet-toxische en goedkope energieconversie- en opslagapparaten, evenals voor de ontwikkeling van ultradunne, lichtgewicht en op de huid monteerbare apparaten die kunnen worden geïntegreerd met realtime gezondheidsmonitoring systemen”, zegt prof. Lee.

De bevindingen van het team effenen de weg voor de ontwikkeling van biocompatibele, duurzame, milieuvriendelijke en ultralichte materialen op basis van grafeen.