Il fisico Fang Zhao con le figure del suo giornale. Credito:Fang Zhao
Super forte e spesso solo un atomo, il grafene è promettente come nanomateriale per qualsiasi cosa, dalla microelettronica all'accumulo di energia pulita. Ma la mancanza di una proprietà ne ha limitato l'uso. Ora, i ricercatori dell'Università di Princeton e del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno superato questo problema utilizzando plasma a bassa temperatura, creando una nuova tecnica che apre le porte a una vasta gamma di applicazioni industriali e scientifiche per il promettente nanomateriale.
Più forte dell'acciaio
Il grafene, che è più duro dei diamanti e più resistente dell'acciaio, potrebbe essere una base per le tecnologie di prossima generazione. Ma l'assenza di una proprietà chiamata gap di banda nella grafite di mina che compone il grafene limita la sua capacità di funzionare come semiconduttore, il materiale al centro dei dispositivi microelettronici. I semiconduttori isolano e conducono corrente elettrica, ma sebbene il grafene sia un eccellente conduttore, non può fungere da isolante senza un intervallo di banda.
"Le persone usano il silicio che ha un gap di banda per i semiconduttori", ha affermato Fang Zhao, autore principale di un articolo sulla rivista Carbon che descrive il nuovo processo. "L'apertura di un notevole gap di banda sul grafene ha dato origine a intensi studi sull'uso dei semiconduttori", ha affermato Zhao, fisico del Fermi National Accelerator Laboratory (Femilab) che ha scritto l'articolo mentre era ricercatore post-dottorato a Princeton.
Il dilemma ha portato scienziati di tutto il mondo a esplorare modi per produrre un gap di banda nel grafene per espandere le sue potenziali applicazioni. Un metodo popolare è stato quello di modificare chimicamente la superficie del grafene con l'idrogeno, un processo chiamato "idrogenazione". Ma il modo convenzionale per farlo produce incisione e sputtering irreversibili che possono danneggiare gravemente la superficie del grafene, noto come materiale 2D a causa della sua natura ultrasottile, in pochi secondi o minuti.
Gli scienziati di Princeton e PPPL hanno ora dimostrato che un nuovo metodo per idrogenare il grafene può aprire in sicurezza la porta ad applicazioni microelettroniche ad ampio raggio. Il metodo segna un nuovo modo di produrre plasma di idrogeno che amplia sostanzialmente la copertura di idrogeno nel materiale 2D. "Questo processo crea trattamenti all'idrogeno molto più lunghi a causa del suo basso danno al grafene", ha affermato Zhao.
Il plasma, lo stato caldo e carico della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici, costituisce il 99% dell'universo visibile. Il plasma di idrogeno a bassa temperatura che PPPL ha sviluppato per idrogenare il grafene contrasta con i plasmi di fusione a milioni di gradi che sono stati a lungo il segno distintivo della ricerca PPPL, che mira a sviluppare energia di fusione sicura, pulita e abbondante per la generazione di elettricità.
Spin-off di Tolomeo
Il nuovo metodo nasce da un esperimento chiamato Tolomeo, un progetto universitario che il fisico di Princeton Chris Tully ha sviluppato con l'assistenza di Zhao. Quel progetto utilizza il decadimento del trizio, l'isotopo radioattivo dell'idrogeno, nel tentativo di catturare i neutrini reliquie emersi pochi secondi dopo il Big Bang che ha creato l'universo. Tali reliquie potrebbero gettare nuova luce sul Big Bang, secondo il progetto Tolomeo.
Per migliorare il tasso di rilevamento del decadimento, Tully si è rivolto al fisico PPPL Yevgeny Raitses, che dirige la ricerca sul plasma a bassa temperatura presso PPPL. "La prontezza di PPPL a unire le forze e a realizzare proprietà trasformative dei materiali 2D è stimolante", ha affermato Tully. "Il record mondiale di resa di idrogenazione del grafene è un tributo alle capacità uniche del PPPL."
Raitses e colleghi hanno sviluppato un metodo per espandere la copertura dell'idrogeno nel grafene che ospita il decadimento del trizio. Il processo aumenta notevolmente le future applicazioni del grafene. "Questo spin-off di Tolomeo può ora essere utilizzato per microelettronica, QIS [scienza dell'informazione quantistica] e altre applicazioni", ha affermato Raitses. "Il metodo può essere applicato anche ad altri materiali 2D."
Lo spinoff combina campi elettrici e magnetici per produrre un plasma di idrogeno che fornisce idrogeno in abbondanza con bassi danni al grafene. Questo metodo gentile e ben controllato è esso stesso uno spin-off della ricerca che Raitses ha sviluppato mentre studiava i propulsori di Hall, i motori di propulsione dei veicoli spaziali basati sul plasma. La tecnica ha idrogenato il grafene per un massimo di 30 minuti negli esperimenti PPPL, aumentando notevolmente la copertura dell'idrogeno e aprendo un gap di banda che trasforma il grafene in materiale semiconduttore.
Tutto questo, dice il Carbon carta, crea un metodo interessante per creare materiali 2D "entusiasmante ed emergente [fonti] per vaste applicazioni".
Hanno collaborato a questo articolo anche i fisici di Princeton Chris Tully e Andi Tan, insieme al chimico Xiaofang Yang del Dipartimento di ingegneria chimica e biologica di Princeton. Il supporto per questo lavoro viene dal DOE Office of Science (FES) e dall'Air Force Office of Scientific Research. + Esplora ulteriormente
