Materiaal voor toekomstige elektronica: nieuwe methode maakt het gemakkelijker om grafeen-nanoribbons te produceren

Russische onderzoekers hebben een nieuwe methode voorgesteld voor het synthetiseren van hoogwaardige grafeen nanoribbons – een materiaal met potentieel voor toepassingen in flexibele elektronica, zonnecellen, LED’s, lasers en meer. Gepresenteerd in The Journal of Physical Chemistry C, de oorspronkelijke benadering van chemische dampafzetting, biedt een hogere opbrengst tegen lagere kosten, vergeleken met de momenteel gebruikte zelfassemblage van nanoribbon op edelmetaalsubstraten.

Op silicium gebaseerde elektronica nadert gestaag hun grenzen, en je kunt je afvragen welk materiaal onze apparaten de volgende grote zetje zou kunnen geven. Denk aan grafeen, de 2D-plaat van koolstofatomen, maar ondanks al zijn beroemde elektronische eigenschappen, heeft het niet wat nodig is: in tegenstelling tot silicium kan grafeen niet schakelen tussen een geleidende en een niet-geleidende toestand. Dit bepalende kenmerk van halfgeleiders zoals silicium is cruciaal voor het maken van transistors, die ten grondslag liggen aan alle elektronica.

Als u grafeen echter in smalle linten snijdt, krijgen ze halfgeleidende eigenschappen, op voorwaarde dat de randen de juiste geometrie hebben en er geen structurele defecten zijn. Dergelijke nanoribbons zijn al gebruikt in experimentele transistors met redelijk goede eigenschappen, en door de elasticiteit van het materiaal kunnen de apparaten flexibel worden gemaakt. Hoewel het technologisch uitdagend is om 2D-materialen te integreren met 3D-elektronica, zijn er geen fundamentele redenen waarom nanoribbons silicium niet zouden kunnen vervangen.

Een meer praktische manier om grafeen nanoribbons te verkrijgen, is niet door grafeenvellen of nanobuisjes in stukken te snijden, maar andersom, door het materiaal atoom voor atoom te laten groeien. Deze benadering staat bekend als bottom-up synthese en levert, in tegenstelling tot zijn top-down tegenhanger, structureel perfecte en dus technologisch bruikbare nanoribbons op. De momenteel dominante methode voor bottom-up synthese, bekend als zelfassemblage, is duur en moeilijk op te schalen voor industriële productie, daarom zoeken materiaalwetenschappers er alternatieven voor.

“Grafeen nanoribbons zijn een materiaal waarvan de eigenschappen van belang zijn voor de fundamentele wetenschap en een belofte inhouden voor toepassingen in allerlei futuristische apparaten. De standaardtechniek voor de synthese heeft echter enkele nadelen”, legt Pavel Fedotov uit, een senior onderzoeker aan het MIPT. Laboratorium voor nanokoolstofmaterialen. “Het handhaven van een ultrahoog vacuüm en het gebruik van een gouden substraat is erg duur, en de output van materiaal is relatief laag.”

“Mijn collega’s en ik hebben een alternatieve manier voorgesteld om atomair onberispelijke nanoribbons te synthetiseren. Het werkt niet alleen onder normaal vacuüm en met het veel goedkopere nikkelsubstraat, de opbrengst neemt toe doordat de nanoribbons worden geproduceerd als meerlagige films, in plaats van afzonderlijk. Om deze films in monolaaglinten te scheiden, worden ze in suspensie gebracht ‘, vervolgde de onderzoeker. “Belangrijk is dat niets van dit alles de kwaliteit van het materiaal in gevaar brengt. We hebben de afwezigheid van defecten bevestigd door de juiste Raman-verstrooiingsprofielen te verkrijgen en de fotoluminescentie van onze nanoribbons te observeren.”

Grafeen nanoribbons zijn er in verschillende soorten, en degenen die de Russische wetenschappers vervaardigden met behulp van hun originele chemische dampafzettingstechniek, hebben de structuur die rechts in de figuur is afgebeeld. Ze zijn zeven atomen breed en hebben randen die iemand vond die aan een fauteuil deden denken, vandaar de naam: 7-A grafeen nanoribbons. Dit type nanoribbons heeft halfgeleidende eigenschappen die waardevol zijn voor elektronica, in tegenstelling tot zijn 7-Z-neef met zigzagranden (links weergegeven), die zich gedraagt ​​als een metaal.

De synthese vindt plaats in een luchtdichte glazen buis die wordt geëvacueerd tot een miljoenste van de standaard atmosferische druk, die nog steeds 10.000 keer hoger is dan het ultrahoge vacuüm dat normaal vereist is voor zelfassemblage van nanoribbon. Het eerste gebruikte reagens is een vaste stof die koolstof, waterstof en broom bevat en bekend staat als DBBA. Het wordt in de buis geplaatst met een nikkelfolie, voorgegloeid bij 1000 graden Celsius om oxidefilm te verwijderen. De glazen buis met DBBA wordt vervolgens gedurende enkele uren in twee fasen aan een warmtebehandeling onderworpen: eerst op 190 C, vervolgens op 380 C. De eerste verwarming leidt tot de vorming van lange polymeermoleculen en tijdens de tweede fase worden ze omgezet in nanoribbons. met atomair nauwkeurige structuur, dicht opeengepakt in films die tot 1000 nanometer dik zijn.

Na het verkrijgen van de films, hebben de onderzoekers ze in een oplossing opgehangen en aan ultrageluid blootgesteld, waarbij de meerlagige “stapels” worden opgesplitst in koolstof nanobanden van één atoom dik. De gebruikte oplosmiddelen waren chloorbenzeen en tolueen. Eerdere experimenten lieten zien dat deze chemicaliën optimaal zijn voor het op een stabiele manier suspenderen van nanoribbons, waardoor aggregatie in stapels en het verschijnen van structurele defecten wordt voorkomen. Nanoribbon-kwaliteitscontrole werd ook uitgevoerd in suspensie, via optische methoden: de analyse van Raman-verstrooiing en fotoluminescentiegegevens bevestigde dat het materiaal geen significante defecten had.

Omdat de nieuwe synthesetechnologie voor het vervaardigen van defectloze meerlagige 7-A koolstofnanobonen relatief goedkoop en gemakkelijk op te schalen is, is het een belangrijke stap om dat materiaal te introduceren in de grootschalige productie van elektronische en optische apparaten die uiteindelijk veel beter zouden presteren dan die bestaande vandaag.

“De ervaring leert dat zodra een nieuw koolstofmateriaal wordt ontdekt, dat nieuwe eigenschappen en nieuwe toepassingen betekent. En nanoribbons van grafeen waren niet anders”, herinnert het hoofd van het MIPT-laboratorium voor nanokoolstofmaterialen zich, Elena Obraztsova. “Aanvankelijk werden nanoribbons gesynthetiseerd in enkelwandige koolstofnanobuisjes, die dienden om de lintbreedte te beperken. Het was op deze ingebedde nanoribbons dat luminescentie oorspronkelijk werd aangetoond, waarbij de parameters varieerden met de geometrie van nanobuisjes.”

“Onze nieuwe aanpak – chemische opdamping van onderaf – maakt het mogelijk om ultralange grafeenlinten in grote hoeveelheden en onder vrij milde omstandigheden te produceren: matig vacuüm, nikkelsubstraat. Het resulterende materiaal vertoont een heldere excitonische fotoluminescentie. Het is veelbelovend voor veel toepassingen in niet-lineaire optica, die we gaan nastreven, ‘voegde de onderzoeker eraan toe.