Fig.1 Confronto dei processi di riduzione degli ossidi di grafene con (a) metodi convenzionali e (b) nostri. Disegni schematici di portatori fluenti (elettroni e fori) in (c) grafene poco cristallino e (d) altamente cristallino. Dipendenza dalla temperatura della conduttanza nei film ridotti di ossido di grafene preparati mediante trattamento termico a (e) 900ºC e (f) 1130ºC. Dall'analisi della dipendenza dalla temperatura della conduttanza, il meccanismo di trasporto del vettore dei film ridotti di ossido di grafene preparati mediante trattamento ad alta temperatura in vapore di etanolo a 1130ºC mostra il trasporto a banda nell'intervallo da 300 a 40 K per la misurazione della temperatura (vedi Fig. 1(f)). Credito:Università di Osaka
I ricercatori hanno scoperto una procedura per ripristinare le strutture difettose di ossido di grafene che fanno sì che il materiale mostri una bassa mobilità del vettore. Applicando un trattamento di riduzione ad alta temperatura in un ambiente a etanolo, le strutture difettose sono state restaurate, portando alla formazione di un film di grafene altamente cristallino con un eccellente trasporto a banda. Questi risultati dovrebbero entrare in uso nelle tecniche di produzione scalabili di film di grafene altamente cristallino.
Il grafene è un materiale con un'eccellente conducibilità elettrica, resistenza meccanica, stabilità chimica, e un'ampia superficie. La sua struttura è costituita da uno strato di atomi di carbonio dello spessore di un atomo. Grazie ai suoi attributi positivi, la ricerca sulla sua sintesi e applicazione ai dispositivi elettronici è in corso in tutto il mondo. Mentre è possibile creare grafene dall'ossido di grafene (GO), un materiale prodotto dall'esfoliazione chimica dalla grafite tramite trattamento ossidativo, questo trattamento provoca strutture difettose e l'esistenza di gruppi contenenti ossigeno, facendo sì che GO mostri proprietà di bassa conduttività. Finora, mobilità del vettore, l'indicatore di base con cui si esprimono le prestazioni del transistor, rimaneva al massimo a pochi cm2/Vs. Un gruppo di ricercatori guidati da Ryota Negishi, professore assistente, e Yoshihiro Kobayashi, professoressa, Scuola di specializzazione in Ingegneria, Università di Osaka; Masashi Akabori, Professore Associato, Japan Advanced Institute of Science and Technology; Takahiro Ito, Professore Associato, Scuola di specializzazione in Ingegneria, Università di Nagoya; e Yoshio Watanabe, Vicedirettore, Centro di radiazione di sincrotrone di Aichi, hanno sviluppato un trattamento di riduzione attraverso il quale la cristallinità di GO è stata drasticamente migliorata.
I ricercatori hanno rivestito un substrato con 1-3 strati estremamente sottili di GO e hanno aggiunto una piccola quantità di etanolo al processo di riduzione ad alta temperatura fino a 1100°C. L'aggiunta del gas etanolo a base di carbonio ha portato all'efficace ripristino della struttura difettosa del grafene. Per la prima volta al mondo, questo gruppo è riuscito ad osservare un trasporto a banda che riflette le proprietà di trasporto elettrico intrinseche nei film GO chimicamente ridotti. Il trasporto a banda è un meccanismo di conduzione in cui i portatori utilizzano i meccanismi elettrici periodici nei cristalli solidi come onda di trasmissione. Il trasporto di banda osservato in questo studio ha raggiunto una mobilità del vettore di ~210 cm2/Vs, attualmente il livello più alto osservato nei film GO chimicamente ridotti.
Fig.2 Immagini al microscopio elettronico a trasmissione osservate dai film ridotti di ossido di grafene preparati mediante trattamento con etanolo a (a) 900ºC e (b) 1100ºC. Per il trattamento ad alta temperatura, i punti luminosi periodici si osservano nei film ridotti di ossido di grafene. Ciò significa che la cristallinità dell'ossido di grafene ridotto viene efficacemente migliorata dal trattamento ad alta temperatura in ambiente etanolico. Credito:Università di Osaka
La riuscita creazione di film sottili di grafene ottenuta attraverso il metodo di riduzione di cui sopra ha aperto la possibilità della loro applicazione in una serie diversificata di dispositivi elettronici e sensori. I risultati di questo gruppo di ricerca costituiscono una pietra miliare nello sviluppo di materiali scalabili che utilizzano le eccellenti proprietà fisiche del grafene.
Questa ricerca è stata presentata in Rapporti scientifici (Gruppo editoriale della natura) il 1 luglio, 2016.
