Nieuwe vorm van koolstof prikkelt met vooruitzichten voor elektronica

Een nieuw gecreëerde vorm van koolstof in een gaas van slechts één atoom dik prikkelt wetenschappers met hints dat het oplaadbare batterijen sterk zou kunnen verbeteren en draden zo klein zou kunnen maken dat ze kunnen werken op een schaal waar metalen falen. Het materiaal, bekend als bifenyleennetwerk, is zeer geleidend en kan mogelijk meer elektrische energie opslaan dan zelfs grafeen, het atomaire koolstofhoningraatmateriaal dat bijna 20 jaar geleden werd geïdentificeerd.

In mei, wetenschappers aangekondigd dat ze de rangschikking van koolstofatomen hebben kunnen aanpassen tot een maas dat voor het eerst zeshoeken, vierkanten en achthoeken omvat, terwijl ze ervoor zorgen dat het materiaal nog steeds slechts één atoom dik is.

De nieuwe geometrische rangschikking in twee dimensies voegt toe aan de lijst van koolstofstructuren – of allotropen – zoals grafiet, diamant en grafeen. Maar wetenschappers hebben ontdekt dat het heel verschillende elektronische eigenschappen heeft. Het is logisch om het nieuwe materiaal te vergelijken met grafeen, waar koolstofatomen zich binden in een enkele laag zeshoeken om een ​​gaas te vormen met verbazingwekkende elektrische en thermische eigenschappen, evenals uitstekende mechanische sterkte, en toch zeer transparant is.

Laboratoriumonderzoek naar het nieuwe materiaal aan de Universiteit van Marburg in Duitsland en de Aalto Universiteit in Finland heeft uitgewezen dat bifenyleennetwerklinten van enkele atomen breed zich elektrisch gedragen als een metaal. Dat geeft een hint dat het materiaal kan worden ontwikkeld om geleidende draden in te maken op koolstof gebaseerde elektronische schakelingen.

“Als je grafeen-nanoribbons van vergelijkbare breedte neemt, dan zijn het meestal halfgeleiders en dit bifenyleen is gemakkelijker een metaal”, zegt Peter Liljeroth, professor in de afdeling toegepaste fysica aan de universiteit van Aalto. Dat zou het materiaal bruikbaar kunnen maken als geleider op nanoschaal in toekomstige elektronische apparaten, voegde hij eraan toe. Hij en zijn team deden hun bevindingen met behulp van een beeldvormende techniek genaamd scanning tunneling spectroscopie om stroken bifenyleennetwerk tot 21 atomen breed te onderzoeken. Die linten zijn gemaakt door de groep van prof. Michael Gottfried op de afdeling fysische chemie van de Philipps-Universität Marburg in Duitsland.

Het Marburg-team ontwikkelde de syntheseroute voor dit materiaal. Ze maakten moleculaire ketens die koolstof bevatten in specifieke arrangementen die zich verzamelen op een ultraglad, niet-reactief gouden oppervlak. En dan nog een stap – HF-zipping genaamd – brengt de ketens samen om de bifenyleennetwerkstroken te vormen.

Elektrisch potentieel

Het analyseren van monsters op grotere schaal zou kunnen helpen om aan te tonen of een bifenyleenanode de efficiëntie van lithium-ionbatterijen zou kunnen verhogen, die vaak worden gebruikt in mobiele telefoons en elektrische voertuigen. “Als je bulk- of meerlaags bifenyleen hebt… dan zijn er theoretische voorspellingen dat de lithiumopslagcapaciteit hoger, veel hoger, zou moeten zijn dan voor grafeen,” zei Dr. Liljeroth.

Als dit wordt bevestigd, zou dat het materiaal enorm aantrekkelijk maken in oplaadbare batterijen. Maar prof. Liljeroth benadrukt dat er nog een lange weg te gaan is voordat dergelijke eigenschappen mogelijk kunnen worden gebruikt in industriële of consumententoepassingen.

Een uitdaging bij het maken van bulkbifenyleen is het vergroten van de nauwkeurigheid van het syntheseproces van het aan elkaar ritsen van stroken of linten van bifenyleen van voldoende kwaliteit om grotere vellen te vormen, zonder dat delen van het materiaal in gebreke blijven bij grafeen als de koolstofatomen aggregeren en binden.

Terwijl de Aalto-onderzoekers de elektrische eigenschappen van het materiaal uit Marburg konden identificeren, blijven andere kenmerken van het bifenyleennetwerk onontgonnen. Er is nog steeds onderzoek nodig om de mechanische, thermische en optische eigenschappen ervan vast te stellen. Om dat te doen, zou het helpen om grotere monsters te hebben.

Koolstofdraden

De bevestigde metalen geleidende eigenschappen wijzen al op de mogelijkheid om draden voor elektronica op de kleinste schaal te geleiden.

Draden gemaakt van metalen zoals koper degraderen typisch bij atomaire dikten door een proces van elektromigratie – waarbij bewegende elektronen atomen kunnen verplaatsen en de draden kunnen beschadigen, die onstabiel worden en uiteindelijk breken.

Een materiaal zoals een bifenyleennetwerk zou kunnen helpen om deze problemen in elektronische circuits te vermijden, omdat het als een metaal werkt bij het geleiden van elektronen, maar zonder de nadelen. Dat zou zorgen voor stabielere geleiders, waardoor kleinere draden kunnen worden gebruikt in elektronica op nanoschaal.

“Dit is een van de problemen die moeten worden overwonnen of opgelost, en op koolstof gebaseerde materialen zijn in dit opzicht redelijk goed”, zei prof. Liljeroth.

Maar hij voegde een duidelijke waarschuwing toe: “Er zijn vele, vele stappen tussen nu en het daadwerkelijk gebruiken hiervan in een microprocessor.”

Deze eigenschappen, en andere die nog moeten worden geïdentificeerd, kunnen rijke velden opleveren voor exploratie en ontwikkeling, evenals de nieuwe manier om het bifenyleennetwerk zelf te produceren.

Prof. Liljeroth benadrukte het potentieel van de HF-ritsmethode die door het team van prof. Gottfried wordt gebruikt om een ​​willekeurig aantal andere koolstofstructuren te maken.

Het Marburg-team gebruikte op koolstof gebaseerde precursorchemicaliën die waterstof en fluor bevatten om verschillende atomaire koolstofketens aan elkaar te “ritsen”. In plaats van standaard grafeen te gebruiken – de meest basale vorm aan de oppervlakte – was de extra stap het chemisch afstemmen van de randen van de linten die aan elkaar ritsen om het bifenyleennetwerk te vormen.

“Wat ik hoop dat uit dit werk komt, is dat mensen gaan nadenken over dit soort HF-zipproces om nieuwe materialen te maken, (dus) je kunt met hetzelfde concept beginnen, de voorlopers aanpassen en eindigen met een ander 2D-koolstofnetwerk ”, voegde prof. Liljeroth toe.

Aangezien het materiaal tot nu toe op een gouden oppervlak is geproduceerd, is het een andere uitdaging om de overdracht van het bifenyleennetwerk van het metaal te perfectioneren. Dat is een taak waarbij de onderzoekers lessen kunnen trekken uit het werk dat aan grafeen is gedaan – een materiaal waar lopend werk ook enkele andere aanwijzingen biedt voor het ontwikkelen van een bifenyleennetwerk.

“Ik zou zeggen dat er veel potentieel is … nu ze hebben aangetoond dat deze structuren haalbaar zijn, zijn ze stabiel, tenminste onder deze omstandigheden”, zei professor Roman Fasel, hoofd van het nanotech@surfaces Laboratory van de Zwitserse federale laboratoria voor Materials Science and Technology (EMPA) en was niet betrokken bij het onderzoek.

“Dit wordt een hele uitdaging om op te schalen”, zei hij, maar voegde eraan toe dat werk aan grafeen had aangetoond dat het mogelijk was om van de kleinste vlekjes materiaal naar werkbare schalen te gaan.

“Eén richting is om de synthese te optimaliseren om een ​​2D-netwerk met een groot gebied te bereiken, laten we zeggen voor elektroden en dergelijke, maar de andere zou zijn om een ​​manier te vinden om goed gedefinieerde nanolinten te maken – dus alleen de 1-D-variant van de materiaal”, zei hij.

Een van de grootste uitdagingen waarmee bifenyleen wordt geconfronteerd, is het identificeren van eigenschappen die het een voor de hand liggende keuze maken voor toekomstige toepassingen – in computertermen bekend als een ‘killer-app’ – waar het veel beter is dan rivalen, en ook gemakkelijker en goedkoper te maken is.

Per slot van rekening werken mensen al bijna twee decennia aan grafeen en hoewel het veel uitstekende eigenschappen vertoont en toepassingen heeft gevonden in verven en coatings, micro-elektronica en transparante geleiders – en ook wordt gebruikt in tennisrackets en inkt – heeft het niet een volledige revolutie teweeggebracht een bepaald veld.

“In sommige gevallen opent een nieuw materiaal iets dat simpelweg niet mogelijk was met de bestaande technologie, en dan kan het sneller doorbreken”, zegt prof. Liljeroth. ‘Maar ik weet niets van bifenyleen – dat zullen we moeten zien.’