Grafeen is een veelzijdig materiaal dat tal van toepassingen belooft. Het bleek echter altijd lastig om snel grafeen van goede kwaliteit te produceren. Tot nu dan, want onderzoekers van onder meer MIT hebben een techniek bedacht waarmee snel, herhaalbaar en op betaalbare wijze grafeen te maken is. Het werkt ook bij andere tweedimensionale materialen.
Het behoort inmiddels tot de sterke verhalen van de wetenschap. Hoe maak je het hoogtechnologische materiaal grafeen, bekend om zijn bijzondere eigenschappen? Antwoord: door een plakbandje stevig op een stuk grafiet te plakken en het er met een ruk af te halen.
Natuurlijk is deze houwtje-touwtjemethode zo goed als mogelijk in een proces gegoten dat te herhalen is met constante resultaten. Maar echt eenvoudig is het maken van grafeen nooit geworden. Het werk dat een team onderzoekers onder leiding van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) eind vorig week in het wetenschappelijke tijdschrift Science publiceerde, komt dan ook als geroepen.
Afpellen
Ze beschrijven hoe je in een paar minuten een strak velletje grafeen van een plak van een bulkkristal afpelt (persbericht van MIT), met een diameter van 2 inch (5 cm) . De onderzoekers hopen dat hun methode eraan bijdraagt dat tweedimensionale materialen, waarvan grafeen veruit het bekendste is, terechtkomen in commercieel verkrijgbare elektronische apparaatjes (lees : 'Doorbraak miniaturisering transistor').
Stapelen
De eerste stap van de nieuwe methode is het op elkaar stapelen van meerdere laagjes grafeen. Dit doen de onderzoekers door een opdampproces (vapor phase epitaxy), waarbij rondzwevende koolstofdeeltjes netjes in een kristalrooster neerslaan op een substraat van saffier. Hierbij zullen de lagen grafeen zich langzaam vullen met koolstofdeeltjes. Alleen de bovenste laag blijft incompleet.
Dat deert niet, want de onderzoekers doen iets slims. Ze plakken op de bovenzijde – met de incomplete laag – een sticker van nikkel, 600 nm dik. Doordat nikkel sterker aan grafeen hecht dan grafeen aan saffier hecht, komt het geheel los van het saffier (zie afbeelding hieronder). Het slimme is dat nu aan de onderkant een keurig gevulde grafeenlaag zit.
Oogsten
Die is netjes te oogsten door hem op een tweede sticker van nikkel te duwen. Doordat de hechting tussen nikkel en grafeen sterker is dan tussen twee grafeenlagen, blijft het grafeenlaagje plakken aan het nikkel. Vanaf dit nikkel gaat het laagje naar zijn eindbestemming, in de figuur de ‘host wafer’ genoemd. Dit proces wordt simpelweg herhaald tot alle grafeenlagen zijn afgepeld.
Andere materialen
Het proces blijkt ook voor andere vaak gebruikte tweedimensionale materialen te werken, zoals hexagonaal boornitride, wolfraamdisulfide en molybdeendisulfide. De onderzoekers zeggen dat met hun techniek laagjes met verschillende eigenschappen zijn te maken, zoals halfgeleiders, metalen en isolatoren. Door onderdelen uit deze bouwdoos te combineren, zijn elektronische of fotonische componenten te bouwen.
‘Als je dat met onze techniek doet, zijn de laagjes maar enkele monolagen (lagen ter dikte van een atoom, red.) dik’, zegt universitair hoofddocent en onderzoeksleider Jaewoo Shim in het persbericht van MIT. ‘Het materiaal is daarmee heel buigzaam en je kunt het overal op aanbrengen.’ Het proces is verder snel en niet duur.
Componenten
Om te laten zien wat hun techniek allemaal kan, wil het team nu een paar elektronische componenten gaan maken met de nieuwe methode, zoals een permanent computergeheugen en een sensor voor op de huid.
Een ander toepassingsgebied ligt bij sensoren voor het Internet of Things, waar een lage prijs ook een voorwaarde is. Eerst groeien deze materialen aan tot atoomdikke laagjes, vervolgens worden ze geïsoleerd en ten slotte opgestapeld. Experts denken dat dit veel goedkoper kan dan met de technieken die de halfgeleiderindustrie nu gebruikt.
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.