211service.com
Comment faire du graphène
Le graphène, une seule couche plate d'atomes de carbone, peut transporter des électrons à des vitesses remarquables, ce qui en fait un matériau prometteur pour les appareils électroniques. Jusqu'à récemment, les chercheurs n'avaient pu fabriquer que de petits éclats du matériau, et seulement en petites quantités. Cependant, les chercheurs de l'Université Rutgers ont développé un moyen simple de fabriquer des films de graphène transparents de quelques centimètres de large et d'un à cinq nanomètres d'épaisseur.
Processus flexible : Une nouvelle méthode de fabrication développée par des chercheurs de l'Université Rutgers peut déposer un film de graphène - une feuille de carbone de l'épaisseur d'un atome - sur presque n'importe quel substrat, y compris le plastique flexible illustré ici. Les films pourraient être utilisés dans des transistors à couche mince ou comme électrodes conductrices pour des cellules solaires organiques.
Des couches minces de graphène pourraient remplacer à moindre coût les électrodes conductrices transparentes en oxyde d'indium et d'étain utilisées dans les cellules solaires organiques. Ils pourraient également remplacer les transistors à couche mince de silicium courants dans les écrans d'affichage. Le graphène peut transporter des électrons des dizaines de fois plus rapidement que le silicium, de sorte que les transistors à base de graphène pourraient fonctionner plus rapidement et consommer moins d'énergie. (Voir Transistors au graphène et Meilleurs transistors au graphène .)
En fait, le professeur Rutgers de science des matériaux et d'ingénierie Manish Chhowalla et ses collègues ont utilisé leurs films de graphène pour fabriquer des prototypes de transistors et des appels solaires organiques. Dans un récent Nature Nanotechnologie papier , ils ont montré qu'ils pouvaient déposer les films transparents sur n'importe quel substrat, y compris le verre et le plastique souple. Chhowalla dit que la méthode pourrait être adaptée à plus grande échelle pour revêtir des mètres et des mètres de substrats avec des films de graphène, en utilisant un traitement rouleau à rouleau, une technique en cours de développement pour fabriquer de grands circuits électroniques flexibles.
En revanche, les techniques actuelles de fabrication du graphène produisent de petites quantités de matériau, adaptées uniquement à un usage expérimental. Une technique courante est appelée la méthode du scotch, dans laquelle un morceau de ruban est utilisé pour décoller les flocons de graphène d'un morceau de graphite, qui est essentiellement un empilement de feuilles de graphène. Il en résulte des fragments de graphène de la taille d'un micromètre, qui sont placés entre les électrodes pour former un transistor. Mais si vous parlez d'appareils à grande échelle, vous voulez faire des [feuilles] macroscopiques, dit Hannes Schniepp , chercheur en 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 font les chercheurs de Rutgers.
Les chercheurs commencent par fabriquer une suspension de paillettes d'oxyde de graphène. Ils oxydent les paillettes de graphite avec de l'acide sulfurique ou nitrique. Cela insère des atomes d'oxygène entre les feuilles de graphène individuelles et les sépare, ce qui donne des feuilles d'oxyde de graphène, qui sont en suspension dans l'eau.
La suspension est filtrée à travers une membrane qui a des pores de 25 nanomètres de large. L'eau passe à travers les pores, mais les flocons d'oxyde de graphène, dont chacun mesure quelques micromètres de large et environ un nanomètre d'épaisseur, recouvrent les pores. Cela se produit de manière réglementée, dit Chhowalla. Lorsqu'un flocon recouvre un pore, l'eau est dirigée vers ses voisins non couverts, qui à leur tour se couvrent, jusqu'à ce que les flocons soient répartis sur toute la surface. La méthode vous permet de déposer des couches uniques de graphène, explique Chhowalla. [Il] se traduit par un film presque uniforme déposé sur la membrane. Les chercheurs placent le côté revêtu d'un film de la membrane sur un substrat, tel que du verre ou du plastique, et nettoient la membrane avec de l'acétone. Enfin, ils exposent le film à un produit chimique appelé hydrazine, qui convertit l'oxyde de graphène en graphène.
James Tour , professeur de chimie à l'Université Rice, affirme que c'est certainement la méthode la plus simple que j'ai vue pour fabriquer des [films minces de graphène] sur de grandes surfaces. Il pense que le processus pourrait facilement être converti en une technique de fabrication à plus grande échelle à l'échelle commerciale. Cela se prête très bien à une production rapide, dit-il. Il ne faudra pas grand-chose pour produire ces choses… 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 millilitres donne un film d'une épaisseur majoritairement de un à deux nanomètres, tandis qu'une suspension de 80 millilitres donne des films d'une épaisseur majoritairement de trois à cinq nanomètres. Les films plus minces sont transparents à 95 pour cent. Les chercheurs ont utilisé les films comme électrodes transparentes dans des cellules solaires organiques. Ils ont également fabriqué des transistors en plaçant leurs films sur un substrat de silicium et en y déposant des électrodes d'or.
Les films de graphène ont besoin de beaucoup plus de travail. À l'heure actuelle, les transistors ne transportent pas autant de courant que ceux fabriqués à partir de flocons de graphène individuels, ce qui, selon les chercheurs, est dû au chevauchement des flocons dans leurs films. Pour les transistors de haute qualité, ils devront fabriquer des films de graphène monocouche sans chevauchement. Ils doivent également améliorer la conductivité de leur film : l'oxyde d'indium et d'étain est encore des centaines de fois plus conducteur. Les cellules solaires organiques avec électrodes en oxyde d'indium et d'étain sont efficaces entre 3 et 5 %. Avec les électrodes à couche mince de graphène, nous obtenons 0,1%, dit Chhowalla, mais ce sont des dispositifs de preuve de concept et bien sûr, ils s'amélioreront avec le temps.
Tour pense que le film est plus prometteur pour les cellules solaires organiques que pour les transistors. De nombreux chercheurs étudient également les films de nanotubes de carbone comme moyen de remplacer les revêtements d'oxyde d'indium et d'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 matériau. L'industrie pourrait également trouver plus facile d'adopter le graphène en raison des préoccupations de certaines personnes concernant les effets des nanotubes de carbone sur l'environnement.