(Phys.org) —El prodigio material El grafeno es una capa de grafito de un átomo de espesor (otra forma cristalina de carbono) en la que los átomos de carbono están dispuestos en un patrón hexagonal regular. Siendo muy fuerte luz, casi transparente, y un excelente conductor de calor y electricidad, está encontrando nuevas aplicaciones a un ritmo vertiginoso. Esto no es sorprendente dado que sus innumerables características incluyen su electrónica, óptico, excitónico térmico, transporte giratorio, efecto Hall cuántico anómalo, mecánico, y otras propiedades únicas. Aunque una de las atractivas propiedades mecánicas del grafeno es su flexibilidad, La mayor parte de la investigación sobre estas propiedades se ha realizado en sustratos rígidos como el dióxido de silicio o el cuarzo. Un sustrato rígido es adecuado para transistores o dispositivos fotoeléctricos, pero la aplicación de grafeno a sustratos flexibles tiene numerosas aplicaciones, como la electrónica orgánica (utilizada en células solares, la luz emite diodos, tecnología de pantalla táctil, fotodetectores, y membranas de separación molecular), fotónica, y optoelectrónica. En la actualidad, hay poca actividad reportada en la transferencia de grafeno a sustratos flexibles, y estos suelen utilizar polimetilmetacrilato (PMMA) como membrana intermedia; la desventaja es que la membrana debe retirarse después de la transferencia. Recientemente, sin embargo, científicos del MIT, La Universidad de Alabama y la Universidade Federal de Minas Gerais idearon un sencillo Sin PMMA, técnica de laminación directa para transferir grafeno a varios sustratos flexibles. Si bien su método de transferencia directa no funciona en sustratos hidrófilos como papel o tela, La nueva técnica también puede funcionar con éxito en estos trabajos mediante el uso de PMMA como modificador de superficie o adhesivo, una capacidad que, según ellos, creará oportunidades para dispositivos electrónicos ubicuos o portátiles.

El Prof. Paulo T. Araujo y el Prof. Jing Kong discutieron la investigación que sus estudiantes, Luiz Gustavo Pimenta y Yi Song, y colegas realizados en una entrevista con Phys.org. "El concepto detrás de la técnica de laminación es simple y, como se puede ver en las referencias de nuestro artículo, no fuimos los primeros en aplicarlo, "Araujo le dice a Phys.org". Sin embargo, nosotros fueron los primeros en aplicarlo de forma muy limpia, es decir, sin ayuda de membranas intermedias como PMMA, o pegamentos como cintas térmicas ". Los principales desafíos que encontraron, él nota, estaban optimizando parámetros como la temperatura de la máquina de laminación, y fabricar la composición en capas adecuada de los sustratos objetivo, grafeno hoja de cobre, y peliculas protectoras. "Adicionalmente, Araujo agrega, "necesitábamos comprender las diferencias y similitudes entre los sustratos que utilizamos. Por ejemplo, un sustrato muy poroso requiere una estrategia de transferencia diferente de la que es muy suave ".

Araujo señala que el nuevo método de transferencia contrasta específicamente con los métodos anteriores en términos de velocidad y simplicidad. "En breve, El método de transferencia más utilizado consiste en aplicar una capa de PMMA sobre una lámina de cobre con grafeno. Después, el juego de cobre / grafeno / PMMA se deja en un grabador de cobre durante 30 minutos, que elimina al tonelero, dejando solo el grafeno / PMMA sobrevive. Próximo, enjuagamos el conjunto de grafeno / PMMA con agua desionizada y lo rematamos con el sustrato objetivo. Finalmente, se utiliza acetona o recocido para eliminar el PMMA. El proceso completo dura aproximadamente entre 1 y 1,5 horas ". El nuevo método de transferencia directa elimina la mayoría de los pasos anteriores, excepto los que involucran el grabador de cobre y la limpieza con agua desionizada. "Por lo tanto, " él añade, "Yo diría que la transferencia directa ahorra aproximadamente media hora".

Araujo señala que un factor clave fue identificar los factores importantes necesarios para una transferencia exitosa a sustratos desnudos. "El primer paso fue identificar las diferencias y similitudes entre los sustratos que usamos, o que podría usarse, en nuestra investigación, a saber, si es poroso / no poroso, hidrofóbico / hidrofílico, suave duro, comportamiento de la variación de temperatura baja, etcétera. Luego, a través de un plan cuidadoso y metódico, tuvimos que excluir aquellas diferencias / similitudes que no jugaron ningún papel en la transferencia ". Este paso fue particularmente laborioso, Araujo dice, porque involucró múltiples experimentos de transferencia directa llevados a cabo en condiciones extremadamente variadas. Como resultado de este esfuerzo, los científicos concluyeron que los factores de sustrato objetivo más importantes eran su hidrofobicidad y el área de contacto con el conjunto de grafeno / cobre.

En cuanto a sustratos no aptos para transferencia directa, El equipo también determinó que el PMMA se puede utilizar como modificador de superficie o como pegamento para garantizar una transferencia de grafeno exitosa. "Primero, necesitábamos ver si nuestra predicción de hidrofobicidad era correcta, y el PMMA era una opción muy conveniente, ya que es hidrofóbico, "Araujo explica, "y. los sustratos hidrofóbicos funcionaron muy bien para la transferencia. Por lo tanto, preguntamos si podíamos convertir un sustrato hidrofílico, con el que previamente había fallado la transferencia, en uno que sea un sustrato hidrofóbico ". La respuesta fue sí, y podemos usar PMMA, ya que es suave (lo que significa que potencialmente podría lograr la transición de temperatura del vidrio necesaria) e hidrófobo. "Sin embargo, " él añade, "Esto nos llevó a otra pregunta:si aplicamos una capa de PMMA sobre el sustrato hidrófilo, ¿Funcionará la transferencia? "Las pruebas demostraron que sí, permitiendo la transferencia de grafeno sobre tela y papel.

En cuanto a la demostración del equipo de que las multicapas permiten colocar láminas conductoras de gran superficie en la mayoría de los sustratos que estudiaron, Kong reconoce que este paso fue sencillo desde el punto de vista de la transferencia directa. "Dado que el grafeno es hidrófobo, y suponiendo que la primera transferencia se haya realizado correctamente, podríamos realizar múltiples transferencias con éxito, ", señala." La parte más difícil fue capturar imágenes de microscopio electrónico de barrido de múltiples grafenos sobre los sustratos flexibles. Siendo aislantes, los sustratos se cargan eléctricamente con mucha facilidad, lo que nos impidió ver el conjunto de sustrato / grafeno. También, las mediciones de resistencia de la hoja eran complicadas, ya que los sustratos frágiles son muy a menudo dañados por las sondas ".

Al abordar estos desafíos, Araujo dice que la información clave provino de pensar en los factores críticos en la interacción entre el grafeno y las cintas térmicas / PMMA. "La gran innovación fue sin duda demostrar que, para la mayoría de sustratos comerciales, no necesitamos utilizar ninguna membrana intermedia para transferir grafeno a los sustratos flexibles. La ausencia de las membranas intermedias proporciona una transferencia limpia que mejora en gran medida la calidad del material transferido. Finalmente, desde mi punto de vista, Es fantástico demostrar que podemos transferir grafeno sobre tela o papel tratándolo luego con una membrana de PMMA que ofrece el entorno necesario para que la transferencia funcione; un método puede describirse fácilmente como una nueva técnica para transferir grafeno a esta clase de sustratos. "

En el futuro cercano, Kong dice que habrá una gran necesidad de formas alternativas de recolectar energía. "En este contexto, " ella explica, "la capacidad de sintetizar, manipular y transferir adecuadamente los materiales relevantes desde la estación de crecimiento a las plataformas de destino es un problema importante, ya que estos pasos determinarán la calidad del producto final. El crecimiento del grafeno ya está bastante avanzado, y lo que ofrecemos con esta investigación es una receta simple para realizar múltiples transferencias de materiales mientras se evitan los contaminantes que acompañan a los procedimientos estándar 'basados ​​en pegamento' ".

Araujo ve que este avance conducirá a una nueva era de pantallas táctiles flexibles de alta calidad, diodos emisores de luz flexibles, sensores flexibles, filtros de gas y celdas solares. Es más, señala que con el interés emergente en nuevos materiales en capas, por ejemplo, nitruro de boro, dicalcogenuros de metales de transición, y óxidos:será posible fabricar heteroestructuras intercalando diferentes materiales. "Las diferentes formas en las que se intercalan los materiales en capas proporcionan una clase completamente nueva de aplicaciones que involucran la electrónica, espintrónica, superconductividad y optoelectrónica, "Araujo dice, y agregó que el procedimiento de transferencia sin residuos también podría representar un avance en la construcción de heteroestructuras de alta calidad.

"En cuanto a los próximos pasos planificados en nuestra investigación, Kong continúa, "La extensión de nuestra metodología debe probarse con otros materiales estratificados como, incluido el nitruro de boro, dicalcogenuros y óxidos de metales de transición los mencionados anteriormente así como otros sustratos. También se debe realizar un estudio más exhaustivo sobre las temperaturas que determinan la transferencia de calor / frío ".

Otro desafío que cita Araujo es la calidad estructural del material transferido. "Aunque hemos demostrado el concepto de transferencia sin residuos y hemos abordado las razones para una transferencia exitosa, la continuidad de la película transferida aún no está en el estado de la técnica. La falta de continuidad es bienvenida para algunas aplicaciones, como los filtros, pero no es deseable en la producción de por ejemplo, dispositivos de pantalla táctil de alta calidad. También, "concluye, "La extensión de esta técnica para realizar esta transferencia sin residuos a sustratos rígidos sigue siendo un desafío, y vale la pena recordar que, aunque el atractivo tecnológico de los dispositivos flexibles es alto, muchas aplicaciones que involucran, por ejemplo, circuitos lógicos, todavía están fuertemente conectados a sustratos rígidos ".

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