 Графен известен своей крайней прочностью, электропроводностью и прозрачностью. Несмотря на то, что его часто третируют как «чудо-материала», графен пока еще полностью не дошел до коммерческих и промышленных продуктов и процессов.
Теперь ученые разработали простой и эффективный способ создания устойчивого, настраиваемого и высокопроизводительного графена: отводя его на верхнюю часть обычного стекла. Подобный масштабируемый и недорогой процесс поможет проложить путь к новому класса микроэлектронных и оптоэлектронных приборов - от эффективных солнечных элементов до сенсорных экранов.
Ученые Брукхейвенской лаборатории построили графеновые устройства на подложках из натриево-известкового стекла - наиболее распространенного стекла, найденного в окнах, бутылках и многих других продуктах. Неожиданно для себя ими было обнаружено, что атомы натрия в стекле оказывали мощное воздействие на электронные свойства графена.
Натрий внутри натриево-известкового стекла создавал высокую плотность электронов в графене, что имело важное значение для многих процессов и было сложным для достижения. Исследователи открыли эффективное и надежное решение в своей погоне за чем-то немного более сложным. Подобные сюрпризы – всего лишь часть красоты науки.
Важно отметить, что эффект оставался сильным, даже когда устройства оставались на открытом воздухе в течение нескольких недель - что является явным улучшением по сравнению с конкурирующими методами.
Графеновые настройки связаны с процессом, называемым легированием, где электронные свойства оптимизированы для использования в устройствах. Подобная корректировка предполагает увеличение количества электронов или «дыр» в материале, чтобы попасть в идеальный баланс для различных приложений. Для успешных реальных устройств также очень важно, чтобы местный ряд перенесенных электронов к графену не деградировал со временем.
Процесс легирования графена, как правило, предполагает введение внешних химических веществ, что не только увеличивает сложность, но он также может сделать материал более уязвимым деградации. Ученым удалось найти легкий путь, позволяющий им преодолеть подобные препятствия.
Исследователи изначально решили оптимизировать солнечный элемент, содержащий графен, наложенный на высокопроизводительные полупроводник из диселенида галлия-индия-меди, который в свою очередь был уложен в промышленной стеклянной натриево-известковой подложке.
Затем ученые провели предварительные испытания системы, чтобы обеспечить основу для тестирования эффектов последующего легирования. Но эти тесты подверглись нечто странному: графен уже был оптимально легирован без введения каких-либо дополнительных химических веществ. После долгих исследований и последующей изоляции графена на стекле, исследователи обнаружили, что натрий в подложке автоматически создает высокую плотность электронов внутри многослойного графена.
Точное определение механизма, посредством которого натрий действует как примесь, подразумевало кропотливое исследования системы и ее производительности в различных условиях, в том числе изготовления устройств и измерения прочности допинга на широком ряде субстратов – как с натрием, так и без натрия.
Разработка и характеризование устройств требовали сложной наноизготовки, деликатной передачи атомно-тонкого графена на неровной поверхности, подробных структурных и электронно-оптических характеристик, а также способности к росту в полупроводнике. Исследователям повезло – они имели и опыт, и самые современные приборы под рукой, чтобы решить все эти проблемы, а также щедрое финансирование. Основная часть экспериментальной работы была проведено в Брукхейвенской лаборатории с помощью методов, разработанных внутри, в том числе передовой литографии.
Ученым теперь нужно будет более глубоко исследовать основы механизма легирования и более внимательно изучить устойчивость материала при воздействии реальных условий эксплуатации. Первые результаты, однако, предполагают, что метод стекла-графена является намного более устойчивым к разложению, чем многие другие методы легирования.
Потенциальные приложения для графена затрагивают многие части повседневной жизни каждого человека - от бытовой электроники до энергетических технологи. Еще рано говорит, какое влияние результаты исследований будут оказывать, но они представляют собой важный шаг на пути к доступности и масштабируемости подобных приложений.
Например, высокая проводимость и прозрачность графена делают его очень перспективным кандидатом в качестве прозрачного проводящего электрода для замены сравнительно хрупкого и дорогостоящего оксида индия и олова в таких приложениях, как солнечные батареи, органические светоизлучающие диоды, плоскопанельные дисплеи и сенсорные экраны.
|
