L'esfoliazione della grafite in strati di grafene ha ispirato lo studio di migliaia di materiali stratificati:tra questi i dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD). Questi semiconduttori possono essere utilizzati per produrre inchiostri conduttivi per la produzione di dispositivi elettronici e optoelettronici stampati. Però, difetti nella loro struttura possono ostacolare le loro prestazioni. Ora, I ricercatori di Graphene Flagship hanno superato questi ostacoli introducendo "ponti molecolari, ' piccole molecole che interconnettono i fiocchi di TMD, aumentando così la conduttività e le prestazioni complessive.

I risultati, pubblicato in Nanotecnologia della natura, provengono da una collaborazione multidisciplinare tra i partner di Graphene Flagship l'Università di Strasburgo e il CNRS, Francia, AMBRA e il Trinity College di Dublino, Irlanda, e Cambridge Graphene Centre, Università di Cambridge, UK. I ponti molecolari impiegati aumentano di dieci volte la mobilità dei portatori, un parametro fisico correlato alla conduttività elettrica.

Gli inchiostri TMD sono utilizzati in molti campi, dall'elettronica e sensoristica alla catalisi e alla biomedicina. Di solito sono prodotti utilizzando esfoliazione in fase liquida, una tecnica sviluppata dalla Graphene Flagship che consente la produzione di massa di grafene e materiali stratificati. Ma, sebbene questa tecnologia produca elevati volumi di prodotto, ha alcune limitazioni. Il processo di esfoliazione può creare difetti che influiscono sulle prestazioni del materiale stratificato, soprattutto quando si tratta di condurre l'elettricità.

Ispirato dall'elettronica organica, il campo alla base di tecnologie di successo come i diodi organici a emissione di luce (OLED) e le celle solari a basso costo, il team di Graphene Flagship ha trovato una soluzione:i ponti molecolari. Con queste strutture chimiche, i ricercatori sono riusciti a prendere due piccioni con una fava. Primo, hanno collegato i fiocchi di TMD l'uno all'altro, creando una rete che facilita il trasporto e la conducibilità della carica. I ponti molecolari si raddoppiano come muri, guarendo i difetti chimici ai bordi dei fiocchi ed eliminando i vuoti elettrici che altrimenti favorirebbero la perdita di energia.

Per di più, i ponti molecolari forniscono ai ricercatori un nuovo strumento per personalizzare la conduttività degli inchiostri TMD su richiesta. Se il ponte è una molecola coniugata, una struttura con doppi legami o anelli aromatici, la mobilità del portatore è maggiore rispetto a quando si utilizzano molecole sature, come gli idrocarburi. "La struttura del ponte molecolare gioca un ruolo chiave, " spiega Paolo Samorì, da Graphene Flagship partner dell'Università di Strasburgo, Francia, che ha condotto lo studio. "Usiamo molecole chiamate di-tioli, che puoi facilmente acquistare dal catalogo di qualsiasi fornitore di prodotti chimici, " aggiunge. La loro diversità strutturale disponibile apre un mondo di possibilità per regolare la conduttività, adattandolo ad ogni specifica applicazione. "I ponti molecolari ci aiuteranno a integrare molte nuove funzioni nei dispositivi basati su TMD, " continua Samorì. "Questi inchiostri possono essere stampati su qualsiasi superficie, come la plastica, tessuto o carta, consentendo un'intera varietà di nuovi circuiti e sensori per elettronica flessibile e dispositivi indossabili."

Maria Smolander, Leader del pacchetto di lavoro di punta del grafene per l'elettronica flessibile, aggiunge:"Questo lavoro è di grande importanza come passo cruciale verso il pieno sfruttamento dei metodi di fabbricazione basati su soluzioni come la stampa nell'elettronica flessibile. L'uso dei ponti legati covalentemente migliora le proprietà sia strutturali che elettriche degli strati sottili basati su TMD fiocchi."

Andrea C. Ferrari, Responsabile scientifico e tecnologico dell'ammiraglia del grafene e presidente del suo comitato di gestione, aggiunge:"Graphene Flagship ha aperto la strada sia all'esfoliazione in fase liquida che alla stampa a getto d'inchiostro di grafene e materiali stratificati. Queste tecniche possono produrre e gestire grandi volumi di materiali. Questa carta è un passaggio chiave per rendere disponibili materiali stratificati semiconduttori per stampati, elettronica flessibile e indossabile, e ancora una volta spinge avanti lo stato dell'arte."