14.02.2020 - Rice University

Graphen bildet sich unter dem Auge des Mikroskops

Wissenschaftler schrumpfen laserinduziertes Graphen für flexible Elektronik

Für die Herstellung von laserinduziertem Graphen (LIG) benötigen Sie keinen großen Laser. Wissenschaftler der Rice University, der University of Tennessee, Knoxville (UT Knoxville) und des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) verwenden einen sehr kleinen sichtbaren Strahl, um die schaumige Form von Kohlenstoff in mikroskopische Muster zu brennen.

Die Labors des Rice-Chemikers James Tour, der die ursprüngliche Methode zur Umwandlung eines gewöhnlichen Polymers in Graphen im Jahr 2014 entdeckte, und des Tennessee/ORNL-Materialwissenschaftlers Philip Rack enthüllten, dass sie nun die Form des leitenden Materials beobachten können, während es kleine Spuren von LIG im Rasterelektronenmikroskop (REM) erzeugt.

Das geänderte Verfahren, das in der ACS Applied Materials & Interfaces der American Chemical Society ausführlich beschrieben wird, erzeugt LIG mit Merkmalen, die mehr als 60 % kleiner sind als die der Makroversion und fast zehnmal kleiner als die, die normalerweise mit dem früheren Infrarotlaser erreicht werden.

Laser mit geringerer Leistung machen das Verfahren auch kostengünstiger, sagte Tour. Das könnte zu einer breiteren kommerziellen Produktion von flexibler Elektronik und Sensoren führen.

"Ein Schlüssel für elektronische Anwendungen ist die Herstellung kleinerer Strukturen, so dass man eine höhere Dichte oder mehr Geräte pro Flächeneinheit haben kann", sagte Tour. "Diese Methode erlaubt es uns, Strukturen zu schaffen, die 10 Mal dichter sind als die, die wir früher gemacht haben.

Um das Konzept zu beweisen, stellte das Labor flexible Feuchtigkeitssensoren her, die für das bloße Auge unsichtbar sind und direkt auf Polyimid, einem kommerziellen Polymer, hergestellt wurden. Die Geräte waren in der Lage, den menschlichen Atem mit einer Reaktionszeit von 250 Millisekunden zu erfassen.

"Dies ist viel schneller als die Abtastrate der meisten kommerziellen Feuchtesensoren und ermöglicht die Überwachung schneller lokaler Feuchteänderungen, die durch die Atmung verursacht werden können", sagte der Hauptautor des Papiers, der Reis-Postdoktorand Michael Stanford.

Die kleineren Laser pumpen Licht mit einer Wellenlänge von 405 Nanometern, im blau-violetten Teil des Spektrums. Diese sind weniger leistungsstark als die Industrielaser, die die Tour-Gruppe und andere auf der ganzen Welt verwenden, um Graphen in Plastik, Papier, Holz und sogar in Lebensmittel zu brennen.

Der auf dem REM montierte Laser verbrennt nur die oberen fünf Mikrometer des Polymers und schreibt Graphenmerkmale, die nur 12 Mikrometer groß sind. (Ein menschliches Haar ist im Vergleich dazu 30 bis 100 Mikrometer breit).

Durch die direkte Zusammenarbeit mit dem ORNL konnte Stanford von der fortschrittlichen Ausrüstung des nationalen Labors profitieren. "Das hat diese gemeinsame Anstrengung möglich gemacht", sagte Tour.

"Ich habe einen Großteil meiner Doktorarbeit am ORNL gemacht, daher war ich mir der ausgezeichneten Einrichtungen und Wissenschaftler bewusst und wusste, wie sie uns bei unserem Projekt helfen können", sagte Stanford. "Die LIG-Merkmale, die wir geschaffen haben, waren so klein, dass es nahezu unmöglich gewesen wäre, sie zu finden, wenn wir die Muster gelasert und später im Mikroskop nach ihnen gesucht hätten.

Tour, dessen Gruppe kürzlich Flash-Graphen eingeführt hat, um Abfall und Lebensmittelabfälle sofort in das wertvolle Material zu verwandeln, sagte, dass das neue LIG-Verfahren einen neuen Weg zum Schreiben elektronischer Schaltkreise in flexible Substrate wie Kleidung bietet.

"Während der Flash-Prozess Tonnen von Graphen produzieren wird, ermöglicht der LIG-Prozess die direkte Synthese von Graphen für präzise elektronische Anwendungen auf Oberflächen", sagte Tour.

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