Un nuovo modo di realizzare grandi lastre di alta qualità, il grafene atomicamente sottile potrebbe portare a ultraleggeri, celle solari flessibili, ea nuove classi di dispositivi emettitori di luce e altri dispositivi elettronici a film sottile.

Il nuovo processo produttivo, che è stato sviluppato al MIT e dovrebbe essere relativamente facile da scalare per la produzione industriale, coinvolge uno strato intermedio di materiale "tampone" che è la chiave del successo della tecnica. Il tampone consente al foglio di grafene ultrasottile, meno di un nanometro (miliardesimo di metro) di spessore, per essere facilmente sollevato dal suo substrato, consentendo una rapida produzione roll-to-roll.

Il processo è dettagliato in un documento pubblicato ieri in Materiali funzionali avanzati , dai postdoc del MIT Giovanni Azzellino e Mahdi Tavakoli; professori Jing Kong, Tommaso Palacios, e Markus Buehler; e altri cinque al MIT.

Trovare un modo per rendere sottile, vasta area, elettrodi trasparenti che sono stabili all'aria aperta è stata una delle principali ricerche nell'elettronica a film sottile negli ultimi anni, per una varietà di applicazioni in dispositivi optoelettronici, oggetti che emettono luce, come schermi di computer e smartphone, o raccoglierlo, come le celle solari. Lo standard odierno per tali applicazioni è l'ossido di indio e stagno (ITO), un materiale a base di elementi chimici rari e costosi.

Molti gruppi di ricerca hanno lavorato alla ricerca di un sostituto per ITO, concentrandosi su materiali candidati sia organici che inorganici. Grafene, una forma di carbonio puro i cui atomi sono disposti in una disposizione esagonale piatta, ha proprietà elettriche e meccaniche estremamente buone, eppure è incredibilmente sottile, fisicamente flessibile, e fatto di un abbondante, materiale poco costoso. Per di più, può essere facilmente coltivato sotto forma di grandi fogli mediante deposizione chimica in fase vapore (CVD), usando il rame come strato di semi, come ha dimostrato il gruppo di Kong. Però, per applicazioni di dispositivi, la parte più difficile è stata trovare modi per rilasciare il grafene cresciuto in CVD dal suo substrato di rame nativo.

Questa versione, noto come processo di trasferimento del grafene, tende a tradursi in una rete di lacrime, rughe, e difetti nelle lenzuola, che interrompe la continuità del film e quindi riduce drasticamente la loro conduttività elettrica. Ma con la nuova tecnologia, Azzellino dice, "ora siamo in grado di produrre in modo affidabile fogli di grafene di grandi dimensioni, trasferiscili su qualsiasi substrato desideriamo, e il modo in cui li trasferiamo non influisce sulle proprietà elettriche e meccaniche del grafene incontaminato".

La chiave è lo strato tampone, fatto di un materiale polimerico chiamato parylene, che si conforma a livello atomico ai fogli di grafene su cui è dispiegato. Come il grafene, il parilene è prodotto da CVD, che semplifica il processo di produzione e la scalabilità.

A dimostrazione di questa tecnologia, il team ha realizzato celle solari proof-of-concept, adottando un materiale polimerico a cella solare a film sottile, insieme allo strato di grafene appena formato per uno dei due elettrodi della cella, e uno strato di parilene che funge anche da substrato del dispositivo. Hanno misurato una trasmittanza ottica vicina al 90% per il film di grafene sotto luce visibile.

Il prototipo di cella solare a base di grafene migliora di circa 36 volte la potenza erogata per peso, rispetto ai dispositivi all'avanguardia basati su ITO. Utilizza anche 1/200 della quantità di materiale per unità di area per l'elettrodo trasparente. E, c'è un ulteriore fondamentale vantaggio rispetto a ITO:"Il grafene arriva quasi gratis, "dice Azzellino.

"I dispositivi ultraleggeri a base di grafene possono aprire la strada a una nuova generazione di applicazioni, " dice. "Quindi, se pensi ai dispositivi portatili, la potenza per peso diventa una cifra di merito molto importante. E se potessimo installare una cella solare trasparente sul tablet in grado di alimentare il tablet stesso?" Anche se sarebbe necessario un ulteriore sviluppo, tali applicazioni dovrebbero in definitiva essere fattibili con questo nuovo metodo, lui dice.

Il materiale tampone, parilene, è ampiamente utilizzato nel settore della microelettronica, solitamente per incapsulare e proteggere i dispositivi elettronici. Quindi le filiere e le attrezzature per l'utilizzo del materiale sono già molto diffuse, dice Azzellino. Dei tre tipi esistenti di parilene, i test della squadra hanno mostrato che uno di loro, che contiene più atomi di cloro, era di gran lunga il più efficace per questa applicazione.

La vicinanza atomica del parylene ricco di cloro al grafene sottostante poiché gli strati sono inseriti a sandwich insieme fornisce un ulteriore vantaggio, offrendo una sorta di "doping" per il grafene, fornendo infine un approccio più affidabile e non distruttivo per il miglioramento della conduttività del grafene di grandi dimensioni, a differenza di molti altri che sono stati testati e segnalati finora.

"I film di grafene e di parylene sono sempre faccia a faccia, " dice Azzellino. "Quindi in fondo, l'azione doping è sempre lì, e quindi il vantaggio è permanente."

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.