Per proteggere il grafene da rughe e contaminanti che compromettono le prestazioni che ne rovinano la superficie durante la fabbricazione del dispositivo, I ricercatori del MIT si sono rivolti a un materiale di uso quotidiano:la cera.

Il grafene è un materiale sottile come un atomo che promette di realizzare elettronica di prossima generazione. I ricercatori stanno esplorando le possibilità di utilizzare il materiale esotico nei circuiti per l'elettronica flessibile e i computer quantistici, e in una varietà di altri dispositivi.

Ma rimuovere il materiale fragile dal substrato su cui è cresciuto e trasferirlo su un nuovo substrato è particolarmente impegnativo. I metodi tradizionali racchiudono il grafene in un polimero che protegge dalla rottura ma introduce anche difetti e particelle sulla superficie del grafene. Questi interrompono il flusso elettrico e soffocano le prestazioni.

In un articolo pubblicato su Comunicazioni sulla natura , i ricercatori descrivono una tecnica di fabbricazione che applica un rivestimento di cera a un foglio di grafene e lo riscalda. Il calore fa espandere la cera, che leviga il grafene per ridurre le rughe. Inoltre, il rivestimento può essere lavato via senza lasciare molti residui.

Negli esperimenti, il grafene rivestito di cera dei ricercatori si è comportato quattro volte meglio del grafene realizzato con uno strato protettivo di polimero tradizionale. Prestazione, in questo caso, viene misurata in "mobilità degli elettroni", ovvero la velocità con cui gli elettroni si muovono attraverso la superficie di un materiale, che è ostacolata da difetti superficiali.

"Come cerare un pavimento, puoi fare lo stesso tipo di rivestimento sopra il grafene di grandi dimensioni e usarlo come strato per raccogliere il grafene da un substrato di crescita del metallo e trasferirlo su qualsiasi substrato desiderato, " dice il primo autore Wei Sun Leong, un postdoc presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS). "Questa tecnologia è molto utile, perché risolve due problemi contemporaneamente:le rughe e i residui di polimeri."

Il primo autore Haozhe Wang, un dottorato di ricerca studente in EECS, dice che usare la cera può sembrare una soluzione naturale, ma ha comportato un pensiero fuori dagli schemi, o, più specificamente, fuori dal laboratorio:"Come studenti, ci limitiamo a materiali sofisticati disponibili in laboratorio. Anziché, in questo lavoro, abbiamo scelto un materiale comunemente usato nella nostra vita quotidiana."

Insieme a Leong e Wang sulla carta ci sono:Jing Kong e Tomas Palacios, entrambi professori EECS; Markus Buehler, professore e direttore del Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale (CEE); e altri sei laureati, postdoc, e ricercatori dell'EECS, CEE, e il Dipartimento di Ingegneria Meccanica.

Il protettore "perfetto"

Per far crescere il grafene su vaste aree, il materiale 2-D è tipicamente cresciuto su un substrato di rame commerciale. Quindi, è protetto da uno strato di polimero "sacrificale", tipicamente polimetilmetacrilato (PMMA). Il grafene rivestito di PMMA viene posto in una vasca di soluzione acida fino a quando il rame non è completamente sparito. Il restante PMMA-grafene viene risciacquato con acqua, poi asciugato, e lo strato di PMMA viene infine rimosso.

Le rughe si verificano quando l'acqua rimane intrappolata tra il grafene e il substrato di destinazione, che PMMA non impedisce. Inoltre, Il PMMA comprende complesse catene di ossigeno, carbonio, e atomi di idrogeno che formano forti legami con atomi di grafene. Questo lascia particelle sulla superficie quando viene rimosso.

I ricercatori hanno provato a modificare il PMMA e altri polimeri per aiutare a ridurre rughe e residui, ma con scarso successo. I ricercatori del MIT hanno invece cercato materiali completamente nuovi, anche dopo aver provato la pellicola termoretraibile commerciale. "Non ha avuto molto successo, ma ci abbiamo provato, "Wang dice, ridendo.

Dopo aver setacciato la letteratura sulla scienza dei materiali, i ricercatori sono atterrati sulla paraffina, il comune biancastro, cera traslucida usata per candele, lucidi, e rivestimenti impermeabili, tra le altre applicazioni.

Nelle simulazioni prima del test, il gruppo di Buehler, che studia le proprietà dei materiali, non sono state trovate reazioni note tra paraffina e grafene. Ciò è dovuto alla struttura chimica molto semplice della paraffina. "La cera era così perfetta per questo strato sacrificale. Sono solo semplici catene di carbonio e idrogeno con bassa reattività, rispetto alla complessa struttura chimica del PMMA che si lega al grafene, "dice Leo.

Trasferimento più pulito

Nella loro tecnica, i ricercatori hanno prima sciolto piccoli pezzi di paraffina in un forno. Quindi, utilizzando una centrifuga, una macchina di microfabbricazione che utilizza la forza centrifuga per distribuire uniformemente il materiale su un substrato, hanno fatto cadere la soluzione di paraffina su un foglio di grafene cresciuto su un foglio di rame. Questo ha diffuso la paraffina in uno strato protettivo, di circa 20 micron di spessore, attraverso il grafene.

I ricercatori hanno trasferito il grafene rivestito di paraffina in una soluzione che rimuove la lamina di rame. Il grafene rivestito è stato quindi ricollocato in una vasca d'acqua tradizionale, che è stato riscaldato a circa 40 gradi Celsius. Hanno usato un substrato di destinazione in silicio per raccogliere il grafene da sotto e cotto in un forno impostato alla stessa temperatura.

Poiché la paraffina ha un elevato coefficiente di dilatazione termica, si espande parecchio se riscaldato. Sotto questo aumento di calore, la paraffina si espande e distende il grafene attaccato sottostante, riducendo efficacemente le rughe. Finalmente, i ricercatori hanno usato una soluzione diversa per lavare via la paraffina, lasciando un monostrato di grafene sul substrato di destinazione.

Nella loro carta, i ricercatori mostrano immagini microscopiche di una piccola area del grafene rivestito di paraffina e PMMA. Il grafene rivestito di paraffina è quasi completamente privo di detriti, considerando che il grafene rivestito in PMMA sembra gravemente danneggiato, come una finestra graffiata.

Poiché il rivestimento in cera è già comune in molte applicazioni di produzione, come l'applicazione di un rivestimento impermeabile a un materiale, i ricercatori pensano che il loro metodo possa essere facilmente adattato ai processi di fabbricazione del mondo reale. In particolare, l'aumento della temperatura per fondere la cera non dovrebbe influire sui costi di fabbricazione o sull'efficienza, e la fonte di calore potrebbe in futuro essere sostituita con una luce, dicono i ricercatori.

Prossimo, i ricercatori mirano a ridurre ulteriormente le rughe e i contaminanti lasciati sul grafene e ad ampliare il sistema a fogli di grafene più grandi. Stanno anche lavorando sull'applicazione della tecnica di trasferimento ai processi di fabbricazione di altri materiali 2-D.

"Continueremo a coltivare i perfetti materiali 2-D di grandi dimensioni, così vengono naturalmente senza rughe, "dice Leo.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.