Fin dalla sua scoperta nel 2004, il grafene ha ricevuto attenzione per le sue straordinarie proprietà, tra cui la sua mobilità estremamente elevata. Tuttavia, l'elevata mobilità del vettore è stata osservata solo utilizzando tecniche che richiedono metodi di fabbricazione complessi e costosi. Ora, i ricercatori di Chalmers riferiscono di una mobilità del vettore di carica sorprendentemente alta del grafene utilizzando metodi molto più economici e più semplici.

"Questa scoperta mostra che il grafene trasferito su substrati economici e flessibili può ancora avere un'elevata mobilità senza compromessi e apre la strada a una nuova era della nanoelettronica del grafene", afferma Munis Khan, ricercatore presso la Chalmers University of Technology.

Il grafene è lo strato di atomi di carbonio dello spessore di un atomo, noto come il materiale più sottile del mondo. Il materiale è diventato una scelta popolare nell'industria dei semiconduttori, automobilistica e optoelettronica grazie alle sue eccellenti proprietà elettriche, chimiche e dei materiali. Una di queste proprietà è la sua mobilità estremamente elevata.

"Nella fisica dello stato solido, la mobilità del portatore di elettroni caratterizza la velocità con cui un elettrone può muoversi attraverso un metallo o un semiconduttore quando è attratto da un campo elettrico. L'elevata mobilità degli elettroni del grafene indica un grande potenziale per le comunicazioni a banda larga e l'elettronica ad alta velocità che opera a velocità di commutazione terahertz. Inoltre, le altre proprietà del materiale, come l'elevata stabilità chimica, l'eccellente trasparenza e la sensibilità elettrica verso i prodotti biochimici, lo rendono un materiale promettente per display, dispositivi di raccolta della luce e biosensori", afferma Munis Khan.

Tuttavia, la mobilità estremamente elevata del vettore nel grafene si osserva nel grafene esfoliato meccanicamente, un processo privo di scalabilità industriale, o nei dispositivi di grafene fabbricati su nitruro di boro esagonale. Mobilità così elevate sono state osservate anche trasferendo il grafene cresciuto mediante un processo chiamato deposizione chimica da vapore (CVD) a eterostrutture di ossidi complessi. Tutte queste tecniche richiedono metodi di fabbricazione complessi e costosi, il che non solo lo rende più costoso, ma ostacola anche la produzione in serie di tali dispositivi.

Grafene più economico con elevata mobilità del vettore

Ora, Munis Khan e i suoi colleghi riferiscono di una mobilità sorprendentemente elevata del vettore di carica del grafene CVD cresciuto su un foglio di rame non lucidato e trasferito su un foglio di laminazione EVA/PET utilizzando un normale laminatore per ufficio e l'incisione a umido del rame. La mobilità è aumentata fino a otto volte dopo aver semplicemente tenuto il sandwich di grafene su plastica a 60°C per alcune ore.

"Questa scoperta mostra che anche i dispositivi al grafene economici e flessibili possono ancora avere una mobilità senza compromessi", afferma Munis Khan. "Il nostro articolo propone un metodo semplice per fabbricare dispositivi economici al grafene su substrati flessibili con elevata mobilità del vettore, probabilmente limitata solo dal processo CVD e dalla purezza del rame."

Il grafene CVD trasferito a EVA/PET è oggetto di un'intensa esplorazione e studio per l'elettronica flessibile ed estensibile, in particolare nei sistemi conformanti come dispositivi portatili per la raccolta di energia, skin elettroniche e dispositivi elettronici indossabili, che richiedono elevata flessibilità ed elasticità. I semiconduttori convenzionali non hanno le proprietà meccaniche superiori che possiede il grafene, il che li rende inadatti a tali applicazioni:spesso sono necessari film di grafene flessibile altamente conduttivo con un'elevata mobilità del vettore.

"La nostra osservazione aumenterà effettivamente la portata di tali film di grafene flessibili in questo campo. Questo potrebbe anche inaugurare la nuova era dell'elettronica flessibile. Le applicazioni che richiedono film sottili altamente conduttivi possono ora essere realizzate con un metodo semplice e conveniente, come proposto nel nostro articolo. Infatti, nel nostro gruppo di ricerca intendiamo utilizzare tali film di grafene per realizzare biosensori estremamente sensibili, rivelatori terahertz e dispositivi ad alta frequenza, applicazioni che richiedono anch'esse un'elevata mobilità dei portatori.La sfida sarà quella di integrare tecniche di microfabbricazione per realizzare dispositivi su substrati flessibili. tali problemi vengono risolti, probabilmente entro 2-3 anni possiamo iniziare a utilizzare tali pellicole di grafene per fabbricare dispositivi per uso industriale", afferma Munis Khan.

Informazioni sulla scoperta

La deposizione chimica da vapore (CVD) del grafene su lamine di rame (Cu) commerciali fornisce un percorso scalabile verso il grafene a strato singolo di alta qualità. Il metodo CVD si basa su reagenti gassosi che si depositano su un substrato. Il grafene viene coltivato su una superficie metallica come Cu, Pt o Ir, dopodiché può essere separato dal metallo e trasferito su substrati specificatamente richiesti. Il processo può essere semplicemente spiegato come gas contenenti carbonio che reagiscono ad alte temperature (900–1100  gradi Celsius) in presenza di un catalizzatore metallico, che funge sia da catalizzatore per la decomposizione delle specie di carbonio che da superficie per il nucleazione del reticolo del grafene.

I ricercatori hanno scoperto che il grafene CVD una volta trasferito dal rame all'EVA/PET (sacchetto di laminazione ordinaria) mediante laminazione a caldo, inizialmente mostrava una bassa mobilità del vettore in un intervallo da 500 a 1000 cm ² /(Vs). Ma, una volta che tali film sono stati mantenuti a 60°C per diverse ore in un flusso costante di azoto, la mobilità è aumentata di otto volte e ha raggiunto 6000-8000 cm ² /(V s) a temperatura ambiente.

La ricerca è stata pubblicata su Nanomaterials . + Esplora ulteriormente

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