Comment faire graphène - MIT Technology Review
Procédé souple: un nouveau procédé de fabrication mis au point par des chercheurs de l'université Rutgers peut déposer un film de graphène une feuille d'un atome d'épaisseur de carbone sur presque tout substrat, y compris la matière plastique flexible représentée ici. Les films peuvent être utilisés dans des transistors à film mince ou comme des électrodes conductrices pour les cellules solaires organiques.
Des couches minces de graphène pourraient fournir un remplacement pas cher pour les électrodes d'oxyde d'étain et d'indium conducteurs transparents, utilisés dans les cellules solaires organiques. Ils peuvent aussi remplacer les transistors au silicium à couches minces courants dans les écrans d'affichage. Graphène peut transporter des électrons des dizaines de fois plus rapide que le silicium, donc des transistors à base de graphène pourrait travailler plus rapidement et consomment moins d'énergie. (Voir « graphène Transistors » et « Better graphène Transistors ».)
En fait, le professeur matériaux Rutgers scientifique et technique Manish Chhowalla et ses collègues ont utilisé leurs films de graphène pour réaliser des transistors prototypes et appels solaires organiques. Dans un article récent Nature Nanotechnology. ils ont montré qu'ils peuvent déposer les films transparents sur un substrat, y compris le verre et le plastique flexible. Chhowalla dit que le procédé peut être adapté à une plus grande échelle pour revêtir « mètres et les compteurs de substrats avec des films de graphène », en utilisant un traitement roll-to-roll, une technique développée pour faire de grands circuits électroniques flexibles.
En revanche, les techniques actuelles pour la fabrication de petites quantités de rendement de graphène de la matière, ne pouvant servir qu'à des fins expérimentales. Une technique commune est appelée la « méthode du scotch », dans lequel un morceau de ruban adhésif est utilisé pour décoller les flocons de graphène hors d'un bloc de graphite, qui est essentiellement une pile de feuilles de graphène. Il en résulte une taille micrométrique des fragments de graphène, qui sont placés entre les électrodes pour faire un transistor. « Mais si vous parlez de dispositifs à grande échelle, vous voulez faire [feuilles] macroscopiques », explique Hannes Schniepp. un chercheur de graphène à l'Université de Princeton. Pour cela, vous devez guider l'assemblage de petits morceaux de graphène sur une grande surface, dit Schniepp, ce qui est exactement ce que les chercheurs font Rutgers.
Les chercheurs commencent en faisant une suspension de flocons d'oxyde de graphène. Ils oxydent flocons de graphite avec l'acide sulfurique ou l'acide nitrique. Cela permet d'insérer des atomes d'oxygène entre les feuilles individuelles de graphène et les oblige à part, résultant en des feuilles d'oxyde de graphène, qui sont en suspension dans l'eau.
James Tour. un professeur de chimie à l'Université Rice, dit que c'est « certainement la méthode la plus simple que je l'ai vu pour la fabrication [graphène films minces] sur de grandes surfaces. » Il pense que le processus pourrait facilement être transformé en un plus grand, technique de fabrication à l'échelle commerciale . « Il est très prête pour la production rapide », dit-il. « Il ne va pas prendre beaucoup pour obtenir ces choses produites ... et couvrir de grandes surfaces. »
Chhowalla et ses collègues contrôlent l'épaisseur du film en modifiant le volume de la suspension. Un volume de 20 ml se traduit par un film qui est le plus souvent de un à deux nanomètres d'épaisseur, tout en résulte une suspension de 80 millilitres dans des films qui sont essentiellement de trois à cinq nanomètres d'épaisseur. Les films minces sont transparentes 95 pour cent. Les chercheurs ont utilisé les films que les électrodes transparentes dans des cellules solaires organiques. Ils ont également fait des transistors en plaçant leurs films sur un substrat de silicium et le dépôt d'électrodes d'or sur eux.
Les films de graphène ont besoin de beaucoup plus de travail. En ce moment, les transistors ne portent pas autant de courant que celles faites à partir de flocons individuels de graphène, qui, spéculent les chercheurs, est en raison des flocons qui se chevauchent dans leurs films. Pour transistors de haute qualité, ils devront faire des films de graphène simple couche sans chevauchement. Ils ont également besoin d'améliorer la conductivité de leur film: l'oxyde d'indium-étain est encore des centaines de fois plus conducteurs. les cellules solaires organiques avec des électrodes d'oxyde d'indium-étain est compris entre 3 et 5 pour cent efficace. « Avec des électrodes à couches minces graphène, on obtient 0,1 pour cent, » dit Chhowalla «mais ce sont des dispositifs de validation de concept et bien sûr améliorerons avec le temps. »
Tour estime que le film est plus prometteur pour les cellules solaires organiques que pour les transistors. De nombreux chercheurs étudient également des films de nanotubes de carbone comme un moyen de remplacer les revêtements d'oxyde d'indium-étain sur les cellules solaires. Mais tour dit que le graphène serait « peut-être plus facile que d'utiliser des nanotubes de carbone en raison de la plus grande disponibilité du matériel. » L'industrie pourrait également trouver plus facile d'adopter graphène en raison des préoccupations que certaines personnes ont des effets de nanotubes de carbone sur la environnement.
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