A sinistra:uno schema di un transistor ad effetto di campo al grafene utilizzato in questo studio. Il dispositivo è costituito da una cella solare contenente grafene impilata su un semiconduttore diseleniuro di gallio indio e rame ad alte prestazioni (CIGS), che a sua volta viene impilato su un substrato industriale (o vetro sodocalcico, SLG, o vetro borosilicato senza sodio, BSG). La ricerca ha rivelato che il substrato SLG funge da fonte di drogaggio del sodio, e prestazioni del dispositivo migliorate in un modo non visto nel substrato privo di sodio. A destra:una micrografia elettronica a scansione del dispositivo visto dall'alto, con la barra della scala bianca che misura 10 micron, e un inserto al microscopio elettronico a trasmissione dell'interfaccia CIGS/grafene in cui la barra della scala bianca misura 100 nanometri. Credito:Brookhaven National Laboratory
Grafene, la centrale elettrica bidimensionale, racchiude estrema durata, conduttività elettrica, e trasparenza in un foglio di carbonio dello spessore di un atomo. Nonostante sia stato annunciato come una svolta "materiale meraviglioso, "Il grafene ha tardato a entrare nei prodotti e nei processi commerciali e industriali.
Ora, gli scienziati hanno sviluppato un metodo semplice e potente per creare resilienti, personalizzato, e grafene ad alte prestazioni:sovrapponendolo al vetro comune. Questo processo scalabile ed economico aiuta a spianare la strada a una nuova classe di dispositivi microelettronici e optoelettronici, dalle efficienti celle solari ai touch screen.
La collaborazione, guidata da scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), Stony Brook University (SBU), e i Colleges of Nanoscale Science and Engineering presso il SUNY Polytechnic Institute, hanno pubblicato i loro risultati il 12 febbraio, 2016, nel diario Rapporti scientifici .
"Riteniamo che questo lavoro potrebbe far avanzare in modo significativo lo sviluppo di tecnologie di grafene veramente scalabili, ", ha affermato il coautore dello studio Matthew Eisaman, un fisico al Brookhaven Lab e professore alla SBU.
Gli scienziati hanno costruito i dispositivi di grafene proof-of-concept su substrati fatti di vetro soda-calcico, il vetro più comune che si trova nelle finestre, bottiglie, e molti altri prodotti. In una svolta inaspettata, gli atomi di sodio nel vetro hanno avuto un potente effetto sulle proprietà elettroniche del grafene.
Ulteriori coautori Kim Kisslinger e Lihua Zhang (non mostrati) hanno eseguito misurazioni di microscopia elettronica ad alta risoluzione presso il Center for Functional Nanomaterials. Credito:Brookhaven National Laboratory
"Il sodio all'interno del vetro sodocalcico crea un'elevata densità di elettroni nel grafene, che è essenziale per molti processi ed è stato difficile da raggiungere, " ha detto il coautore Nanditha Dissanayake di Voxtel, Inc., ma precedentemente di Brookhaven Lab. "In realtà abbiamo scoperto questa soluzione efficiente e robusta durante la ricerca di qualcosa di un po' più complesso. Tali sorprese fanno parte della bellezza della scienza".
In modo cruciale, l'effetto è rimasto forte anche quando i dispositivi sono stati esposti all'aria per diverse settimane, un netto miglioramento rispetto alle tecniche concorrenti.
Il lavoro sperimentale è stato svolto principalmente presso il dipartimento di tecnologie per l'energia sostenibile di Brookhaven e il Center for Functional Nanomaterials (CFN), che è un DOE Office of Science User Facility.
Le modifiche al grafene in questione ruotano attorno a un processo chiamato doping, dove le proprietà elettroniche sono ottimizzate per l'uso nei dispositivi. Questa regolazione comporta l'aumento del numero di elettroni o dei "buchi" privi di elettroni in un materiale per ottenere l'equilibrio perfetto per diverse applicazioni. Per dispositivi reali di successo, è anche molto importante che il numero locale di elettroni trasferiti al grafene non si degradi nel tempo.
"Il processo di drogaggio del grafene in genere comporta l'introduzione di sostanze chimiche esterne, che non solo aumenta la complessità, ma può anche rendere il materiale più vulnerabile al degrado, " disse Eisaman. "Fortunatamente, abbiamo trovato una scorciatoia che ha superato quegli ostacoli".
Il team ha inizialmente deciso di ottimizzare una cella solare contenente grafene impilata su un semiconduttore diseleniuro di gallio e indio di rame (CIGS) ad alte prestazioni, che a sua volta è stato impilato su un substrato di vetro sodocalcico industriale.
Gli scienziati hanno quindi condotto test preliminari del nuovo sistema per fornire una linea di base per testare gli effetti del successivo doping. Ma questi test hanno rivelato qualcosa di strano:il grafene era già drogato in modo ottimale senza l'introduzione di sostanze chimiche aggiuntive.
"Con nostra sorpresa, gli strati di grafene e CIGS hanno già formato una buona giunzione di celle solari!" ha detto Dissanayake. "Dopo molte indagini, e il successivo isolamento del grafene sul vetro, abbiamo scoperto che il sodio nel substrato creava automaticamente un'elevata densità di elettroni all'interno del nostro grafene multistrato".
I coautori dello studio Nanditha Dissanayake, Matteo Eisaman, Yutong Pang, e Ahsan Ashraf sono in un laboratorio laser a Brookhaven. Credito:Brookhaven National Laboratory
Individuare il meccanismo mediante il quale il sodio agisce come drogante ha comportato una scrupolosa esplorazione del sistema e delle sue prestazioni in condizioni diverse, compresa la realizzazione di dispositivi e la misurazione della forza di drogaggio su un'ampia gamma di substrati, sia con che senza sodio.
"Lo sviluppo e la caratterizzazione dei dispositivi hanno richiesto una nanofabbricazione complessa, trasferimento delicato del grafene atomicamente sottile su substrati ruvidi, caratterizzazione strutturale ed elettro-ottica dettagliata, e anche la capacità di far crescere il semiconduttore CIGS, "Dissanayake ha detto. "Fortunatamente, avevamo a disposizione sia l'esperienza che la strumentazione all'avanguardia per affrontare tutte queste sfide, oltre a generosi finanziamenti».
La maggior parte del lavoro sperimentale è stato condotto presso il Brookhaven Lab utilizzando tecniche sviluppate internamente, compresa la litografia avanzata. Per le misurazioni di microscopia elettronica ad alta risoluzione, Gli scienziati dello staff CFN e i coautori dello studio Kim Kisslinger e Lihua Zhang hanno prestato la loro esperienza. I coautori Harry Efstathiadis e Daniel Dwyer, entrambi del College of Nanoscale Science and Engineering del SUNY Polytechnic Institute, hanno guidato lo sforzo per far crescere e caratterizzare i film CIGS di alta qualità.
"Ora che abbiamo dimostrato il concetto di base, in seguito vogliamo concentrarci sulla dimostrazione di un controllo accurato sulla forza del doping e sullo schema spaziale, " ha detto Eisaman.
Gli scienziati devono ora approfondire i fondamenti del meccanismo di doping e studiare più attentamente la resilienza del materiale durante l'esposizione alle condizioni operative del mondo reale. I primi risultati, però, suggeriscono che il metodo del vetro-grafene è molto più resistente alla degradazione rispetto a molte altre tecniche di drogaggio.
"Le potenziali applicazioni del grafene toccano molte parti della vita quotidiana di tutti, dall'elettronica di consumo alle tecnologie energetiche, " Ha detto Eisaman. "È troppo presto per dire esattamente quale impatto avranno i nostri risultati, ma questo è un passo importante verso la possibilità di rendere alcune di queste applicazioni veramente convenienti e scalabili."
Per esempio, l'elevata conduttività e trasparenza del grafene lo rendono un candidato molto promettente come trasparente, elettrodo conduttivo per sostituire il relativamente fragile e costoso ossido di indio e stagno (ITO) in applicazioni come celle solari, diodi organici a emissione di luce (OLED), schermi piatti, e touch screen. Per sostituire ITO, devono essere sviluppati metodi scalabili ea basso costo per controllare la resistenza del grafene al flusso di corrente elettrica controllando la forza del drogaggio. Questo nuovo sistema vetro-grafene potrebbe essere all'altezza di questa sfida, dicono i ricercatori.
