I chimici dell'ammiraglia europea del grafene esaminano il potenziale dei materiali compositi grafene-organici nell'elettronica. I ricercatori mostrano come i semiconduttori organici possono essere utilizzati per elaborare meglio il grafene, e per sintonizzare le sue proprietà per applicazioni particolari.

Il più noto di tutti i materiali bidimensionali, il grafene ha proprietà che lo rendono attraente per un'intera gamma di applicazioni meccaniche, applicazioni ottiche ed elettroniche. Il grafene è una sfida da produrre su scala industriale, però, e può essere difficile adattare le sue proprietà a funzioni specifiche. Nella speranza di risolvere questi due problemi contemporaneamente, l'interesse della ricerca è rivolto all'interazione del grafene con semiconduttori organici su misura.

I chimici sono da tempo interessati alle molecole organiche per le applicazioni delle nanotecnologie. Molecole organiche più piccole possono consentire l'assemblaggio molecolare di nanomateriali di carbonio in architetture altamente ordinate come nanofibre, cristalli e monostrati. La spina dorsale degli atomi di carbonio nei polimeri, d'altra parte, può portare a assemblee su larga scala più disordinate, ma le forme allungate e flessibili dei polimeri garantiscono un'elevata solubilità e un efficiente trasporto di carica elettrica.

L'elaborazione scalabile e la funzionalizzazione del grafene è oggetto di un articolo di approfondimento di tre scienziati di Graphene Flagship che scrivono nel periodico della Royal Society of Chemistry, il Journal of Materials Chemistry C . La Graphene Flagship è un consorzio internazionale di partner accademici e industriali, cofinanziato dalla Commissione Europea, che si concentra sullo sviluppo del grafene e dei relativi materiali 2D.

Andrea Schlierf, Paolo Samorì e Vincenzo Palermo esaminano nella loro recensione una serie di polimeri commerciali, le cui proprietà meccaniche ed elettriche potrebbero essere migliorate con l'aggiunta di grafene. Gli autori considerano anche il grafene come un substrato per applicazioni biomediche, e l'uso di semiconduttori organici per aprire un band gap elettronico nel grafene. L'assenza di un band gap nella forma pura di questo materiale altamente conduttivo è un grosso problema che ostacola il suo sfruttamento nell'elettronica.

Depositare piccole molecole organiche su una superficie piana di carbonio come il grafene, e si può modulare quella superficie attraverso il processo chimico non diretto dall'esterno noto come autoassemblaggio. Esistono molte classi di molecole che possono essere utilizzate per questo scopo, che vanno dai semplici alcani agli idrocarburi aromatici più grandi. L'autoassemblaggio è in tutti i casi guidato da una complessa interazione tra interazioni intermolecolari e molecola-substrato.

I risultati sperimentali mostrano che la nucleazione, l'orientamento e l'impaccamento dei semiconduttori organici sul grafene sono molto diversi da quelli cresciuti su substrati convenzionali come silicio e grafite. L'aggiunta di catene laterali chimiche alla spina dorsale delle molecole organiche può anche esporre funzionalità che lavorano in sinergia o in opposizione all'interazione principale tra le molecole adsorbite e il grafene, conducendo a percorsi di autoassemblaggio più complessi.

Rivestire il grafene con molecole organiche nel vuoto è una cosa, ma quando si tratta di funzionalizzazione e costi, i sistemi ibridi grafene-organici solubili presentano chiari vantaggi rispetto al grafene prodotto dalla deposizione chimica da vapore o dalla crescita epitassiale. Le sospensioni grafene organiche possono essere lavorate con tecniche di deposizione su grandi aree come la stampa a getto d'inchiostro, con il grafene prodotto dall'esfoliazione in fase liquida in un solvente organico. Questo è l'approccio del lavello della cucina alla produzione di grafene, e il processo è economico, efficace e altamente scalabile.

Un esempio di questo approccio liquido all'esfoliazione del grafene è fornito in un'altra recente pubblicazione di ricerca a cui hanno contribuito tutti e tre gli autori della revisione. In un articolo pubblicato sulla rivista 2D Materials dell'Institute of Physics, Schlierf e i suoi colleghi descrivono l'esfoliazione, lavorazione e inclusione in compositi polimerici di nano-piastrine di grafene utilizzando sale sodico dell'acido solfonico blu indrone, un comune colorante industriale noto come IBS in breve.

Come è comune con i nanomateriali compositi in generale, l'adsorbimento di molecole organiche sul grafene può avere un effetto significativo sulle proprietà elettroniche di quest'ultimo. L'influenza di questo materiale sul drogaggio è confermata da misurazioni spettroscopiche, e include la suddivisione in banda G negli spettri Raman.

Un altro effetto notevole delle interazioni grafene-organico è l'estinzione della fluorescenza nei coloranti che emettono luce mediante trasferimento di carica o energia. In questo caso, l'interazione è associata a campi elettromagnetici fortemente potenziati a causa della natura di dissipatore di energia del grafene. È questa qualità del grafene che lo rende un materiale promettente per il fotorilevamento, applicazioni nanofotoniche e fotovoltaiche.

L'adsorbimento di semiconduttori organici può anche conferire una funzione magnetica al grafene, completando la sua elettronica, proprietà meccaniche e ottiche. Ciò potrebbe portare all'applicazione di materiali ibridi grafene-organici nella spintronica, con funzionalità magnetiche che alterano la polarizzazione di spin delle correnti elettriche che scorrono nel grafene.

Spintronica a parte, il potenziale del grafene nell'elettronica si basa in gran parte sulla sua applicazione nei circuiti integrati, e ad esempio nei componenti noti come transistor ad effetto di campo (FET). Il problema con il grafene, almeno nella sua forma originaria, è che l'elevata mobilità dei portatori di carica è compensata da un rapporto di commutazione della corrente on-off molto scarso. Il drogaggio del grafene con altri materiali può migliorare questo in una certa misura, ma c'è un altro modo di affrontare il problema. Il grafene potrebbe essere incorporato nei FET organici, con conseguente aumento della mobilità degli elettroni, e rapporti di commutazione comparabili o migliori di quelli osservati nei FET organici senza grafene.

Il focus qui è sul grafene, ma il grafene è solo uno delle centinaia di materiali bidimensionali di interesse per i ricercatori e l'industria di punta. Altri materiali stratificati degni di nota includono nitruro di boro e bisolfuro di molibdeno (MoS2), le cui qualità di semiconduttore conferiscono loro un vantaggio rispetto al grafene puro in determinate applicazioni. Tali materiali 2d potrebbero ad esempio essere utilizzati in isolatori di gate a transistor, componenti fotosensibili, come materiali attivi per FET, o negli elettrodi. Un composito polimerico di MoS2 esfoliato in fase liquida e ossido di polietilene è stato recentemente dimostrato come materiale anodico per batterie agli ioni di litio. Il composito mostra elevate capacità di accumulo di carica, e reversibilità a lungo termine.

Si parla spesso di grafene in contrasto con il silicio come del materiale elettronico di un'"era post-silicio". La realtà è più sfumata di questa immagine idealizzata, ma ancora, il grafene può sotto certi aspetti superare il silicio. Apre anche nuove possibilità, soprattutto se utilizzato in combinazione con altri materiali.

"Un grande vantaggio del grafene rispetto al silicio è che si basa sul carbonio, che costituisce la base di tutti i materiali organici", dice Vincenzo Palermo, che dirige l'unità di materiali organici funzionali presso l'Istituto di Sintesi Organica e Fotoreattività del Consiglio Nazionale delle Ricerche di Bologna. "Questa affinità del grafene con i composti organici consente una perfetta integrazione del grafene nei materiali compositi per l'elettronica flessibile, sensoristica e applicazioni biomediche. Il grafene può interagire fortemente con e sintonizzare la morfologia della maggior parte delle molecole organiche, e lo fa in un modo più controllato rispetto ad altri materiali come silicio o metalli".

Come affermano Palermo e i suoi coautori nella conclusione della loro recensione, la possibilità di combinare materiali a base di carbonio con proprietà molto diverse dovrebbe consentire l'integrazione dell'elettronica ad alta velocità, elettronica organica e scienza dei materiali compositi.