Izquierda:un esquema de un transistor de efecto de campo de grafeno utilizado en este estudio. El dispositivo consta de una celda solar que contiene grafeno apilado sobre un semiconductor de cobre, indio, galio y diselenuro (CIGS) de alto rendimiento, que a su vez se apila sobre un sustrato industrial (ya sea vidrio sodocálcico, SLG, o vidrio de borosilicato sin sodio, BSG). La investigación reveló que el sustrato SLG sirve como fuente de dopaje de sodio, y rendimiento mejorado del dispositivo de una manera que no se ve en el sustrato libre de sodio. Derecha:una micrografía electrónica de barrido del dispositivo visto desde arriba, con la barra de escala blanca que mide 10 micrones, y una inserción de micrografía electrónica de transmisión de la interfaz CIGS / grafeno donde la barra de escala blanca mide 100 nanómetros. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Grafeno la central eléctrica bidimensional, embala una durabilidad extrema, conductividad eléctrica, y transparencia en una hoja de carbono de un átomo de espesor. A pesar de ser anunciado como un gran avance "material maravilloso, "El grafeno ha tardado en incorporarse a los productos y procesos comerciales e industriales.
Ahora, Los científicos han desarrollado un método simple y poderoso para crear resilientes, personalizado y grafeno de alto rendimiento:colocándolo sobre vidrio común. Este proceso escalable y económico ayuda a allanar el camino para una nueva clase de dispositivos microelectrónicos y optoelectrónicos, desde células solares eficientes hasta pantallas táctiles.
La colaboración, dirigida por científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), Universidad de Stony Brook (SBU), y las Facultades de Ciencias e Ingeniería a Nanoescala del Instituto Politécnico SUNY, publicaron sus resultados el 12 de febrero de 2016, en el diario Informes científicos .
"Creemos que este trabajo podría hacer avanzar significativamente el desarrollo de tecnologías de grafeno verdaderamente escalables, "dijo el coautor del estudio Matthew Eisaman, físico en Brookhaven Lab y profesor en SBU.
Los científicos construyeron los dispositivos de grafeno de prueba de concepto en sustratos hechos de vidrio de cal sodada, el vidrio más común que se encuentra en las ventanas. botellas y muchos otros productos. En un giro inesperado los átomos de sodio en el vidrio tuvieron un efecto poderoso sobre las propiedades electrónicas del grafeno.
Los coautores adicionales Kim Kisslinger y Lihua Zhang (no se muestra) realizaron mediciones de microscopía electrónica de alta resolución en el Centro de Nanomateriales Funcionales. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
"El sodio dentro del vidrio de cal sodada crea una alta densidad de electrones en el grafeno, que es esencial para muchos procesos y ha sido un desafío lograr, "dijo la coautora Nanditha Dissanayake de Voxtel, C ª., pero anteriormente de Brookhaven Lab. "De hecho, descubrimos esta solución eficiente y robusta durante la búsqueda de algo un poco más complejo. Tales sorpresas son parte de la belleza de la ciencia".
Crucialmente, el efecto se mantuvo fuerte incluso cuando los dispositivos estuvieron expuestos al aire durante varias semanas, una clara mejora con respecto a las técnicas de la competencia.
El trabajo experimental se realizó principalmente en el Departamento de Tecnologías de Energía Sostenible de Brookhaven y el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), que es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
Los ajustes de grafeno en cuestión giran en torno a un proceso llamado dopaje, donde las propiedades electrónicas están optimizadas para su uso en dispositivos. Este ajuste implica aumentar el número de electrones o los "huecos" libres de electrones en un material para lograr el equilibrio perfecto para diferentes aplicaciones. Para dispositivos exitosos del mundo real, También es muy importante que el número local de electrones transferidos al grafeno no se degrade con el tiempo.
"El proceso de dopaje con grafeno normalmente implica la introducción de productos químicos externos, que no solo aumenta la complejidad, pero también puede hacer que el material sea más vulnerable a la degradación, "Dijo Eisaman." Afortunadamente, encontramos un atajo que superó esos obstáculos ".
Inicialmente, el equipo se propuso optimizar una celda solar que contenía grafeno apilado en un semiconductor de cobre, indio, galio y diselenuro (CIGS) de alto rendimiento. que a su vez se apiló sobre un sustrato industrial de vidrio sodocálcico.
Luego, los científicos llevaron a cabo pruebas preliminares del nuevo sistema para proporcionar una línea de base para probar los efectos del dopaje posterior. Pero estas pruebas revelaron algo extraño:el grafeno ya estaba dopado de manera óptima sin la introducción de ningún producto químico adicional.
"Para nuestra sorpresa, las capas de grafeno y CIGS ya formaron una buena unión de células solares ", dijo Dissanayake." Después de mucha investigación, y el posterior aislamiento del grafeno en el vidrio, descubrimos que el sodio en el sustrato creaba automáticamente una alta densidad de electrones dentro de nuestro grafeno multicapa ".
Los coautores del estudio, Nanditha Dissanayake, Matthew Eisaman, Yutong Pang, y Ahsan Ashraf están en un laboratorio láser en Brookhaven. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Identificar el mecanismo por el cual el sodio actúa como dopante implicó una exploración minuciosa del sistema y su desempeño en diferentes condiciones, incluida la fabricación de dispositivos y la medición de la resistencia al dopaje en una amplia gama de sustratos, tanto con como sin sodio.
"Desarrollar y caracterizar los dispositivos requirió una nanofabricación compleja, transferencia delicada del grafeno atómicamente delgado sobre sustratos rugosos, caracterización detallada estructural y electroóptica, y también la capacidad de hacer crecer el semiconductor CIGS, "Dijo Dissanayake." Afortunadamente, teníamos tanto la experiencia como la instrumentación de última generación a mano para enfrentar todos esos desafíos, así como una generosa financiación ".
La mayor parte del trabajo experimental se llevó a cabo en Brookhaven Lab utilizando técnicas desarrolladas internamente, incluida la litografía avanzada. Para las mediciones de microscopía electrónica de alta resolución, Los científicos del personal de CFN y los coautores del estudio, Kim Kisslinger y Lihua Zhang, prestaron su experiencia. Los coautores Harry Efstathiadis y Daniel Dwyer, ambos de la Facultad de Ciencias e Ingeniería a Nanoescala del Instituto Politécnico SUNY, encabezaron el esfuerzo por desarrollar y caracterizar las películas CIGS de alta calidad.
"Ahora que hemos demostrado el concepto básico, queremos centrarnos a continuación en demostrar un control preciso sobre la fuerza del dopaje y los patrones espaciales, "Dijo Eisaman.
Los científicos ahora necesitan investigar más profundamente los fundamentos del mecanismo de dopaje y estudiar más cuidadosamente la resistencia del material durante la exposición a las condiciones operativas del mundo real. Los resultados iniciales, sin embargo, sugieren que el método de vidrio-grafeno es mucho más resistente a la degradación que muchas otras técnicas de dopaje.
"Las posibles aplicaciones del grafeno afectan a muchas partes de la vida diaria de todos, desde la electrónica de consumo hasta las tecnologías energéticas, ", Dijo Eisaman." Es demasiado pronto para decir exactamente qué impacto tendrán nuestros resultados, pero este es un paso importante hacia la posibilidad de que algunas de estas aplicaciones sean realmente asequibles y escalables ".
Por ejemplo, La alta conductividad y transparencia del grafeno lo convierten en un candidato muy prometedor como transparente, electrodo conductor para reemplazar el óxido de indio y estaño (ITO) relativamente frágil y costoso en aplicaciones como las células solares, diodos emisores de luz orgánicos (OLED), pantallas de pantalla plana, y pantallas táctiles. Para reemplazar ITO, Se deben desarrollar métodos escalables y de bajo costo para controlar la resistencia del grafeno al flujo de corriente eléctrica controlando la fuerza del dopaje. Este nuevo sistema de vidrio-grafeno podría estar a la altura de ese desafío, dicen los investigadores.
