Para proteger el grafeno de las arrugas y los contaminantes que perjudican el rendimiento y que estropean su superficie durante la fabricación del dispositivo, Los investigadores del MIT han recurrido a un material cotidiano:la cera.

El grafeno es un material delgado como un átomo que es prometedor para la fabricación de productos electrónicos de próxima generación. Los investigadores están explorando posibilidades para usar el material exótico en circuitos para electrónica flexible y computadoras cuánticas. y en una variedad de otros dispositivos.

Pero quitar el material frágil del sustrato en el que se cultiva y transferirlo a un nuevo sustrato es particularmente desafiante. Los métodos tradicionales envuelven el grafeno en un polímero que protege contra la rotura, pero también introduce defectos y partículas en la superficie del grafeno. Estos interrumpen el flujo eléctrico y sofocan el rendimiento.

En un artículo publicado en Comunicaciones de la naturaleza , los investigadores describen una técnica de fabricación que aplica una capa de cera a una hoja de grafeno y la calienta. El calor hace que la cera se expanda, que suaviza el grafeno para reducir las arrugas. Es más, el revestimiento se puede lavar sin dejar muchos residuos.

En experimentos, El grafeno recubierto de cera de los investigadores funcionó cuatro veces mejor que el grafeno elaborado con una capa protectora de polímero tradicional. Rendimiento, en este caso, se mide en "movilidad de electrones", es decir, qué tan rápido se mueven los electrones a través de la superficie de un material, que se ve obstaculizada por defectos superficiales.

"Como encerar un piso, puede hacer el mismo tipo de recubrimiento sobre grafeno de gran superficie y usarlo como capa para recoger el grafeno de un sustrato de crecimiento de metal y transferirlo a cualquier sustrato deseado, "dice el primer autor Wei Sun Leong, un postdoctorado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática (EECS). "Esta tecnología es muy útil, porque resuelve dos problemas simultáneamente:las arrugas y los residuos de polímeros ".

Co-primer autor Haozhe Wang, un doctorado estudiante en EECS, dice que usar cera puede parecer una solución natural, pero implicó pensar fuera de la caja, o más específicamente, fuera del laboratorio:"Como estudiantes, nos limitamos a materiales sofisticados disponibles en laboratorio. En lugar de, en este trabajo, Elegimos un material que usamos comúnmente en nuestra vida diaria ".

Junto a Leong y Wang en el periódico están:Jing Kong y Tomas Palacios, ambos profesores de EECS; Markus Buehler, profesor y jefe del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental (CEE); y otros seis estudiantes de posgrado, postdoctorados, e investigadores de EECS, CEE, y el Departamento de Ingeniería Mecánica.

El protector "perfecto"

Para cultivar grafeno en grandes áreas, el material 2-D se cultiva típicamente sobre un sustrato de cobre comercial. Luego, está protegido por una capa de polímero de "sacrificio", típicamente metacrilato de polimetilo (PMMA). El grafeno recubierto de PMMA se coloca en una tina de solución ácida hasta que el cobre desaparece por completo. El PMMA-grafeno restante se enjuaga con agua, luego se seca, y finalmente se elimina la capa de PMMA.

Las arrugas ocurren cuando el agua queda atrapada entre el grafeno y el sustrato de destino, que el PMMA no previene. Es más, PMMA comprende cadenas complejas de oxígeno, carbón, y átomos de hidrógeno que forman enlaces fuertes con átomos de grafeno. Esto deja partículas en la superficie cuando se quita.

Los investigadores han intentado modificar el PMMA y otros polímeros para ayudar a reducir las arrugas y los residuos. pero con un éxito mínimo. En cambio, los investigadores del MIT buscaron materiales completamente nuevos, incluso una vez que probaron la envoltura retráctil comercial. "No fue tan exitoso, pero lo intentamos "Wang dice, risa.

Después de revisar la literatura sobre ciencia de los materiales, los investigadores aterrizaron en parafina, el blanquecino común, cera translúcida para velas, abrillantadores, y revestimientos impermeables, entre otras aplicaciones.

En simulaciones antes de la prueba, El grupo de Buehler, que estudia las propiedades de los materiales, no encontró reacciones conocidas entre la parafina y el grafeno. Eso se debe a la estructura química muy simple de la parafina. "La cera fue tan perfecta para esta capa de sacrificio. Son simples cadenas de carbono e hidrógeno con baja reactividad, en comparación con la compleja estructura química del PMMA que se une al grafeno, "Dice Leong.

Transferencia más limpia

En su técnica, los investigadores primero fundieron pequeños trozos de parafina en un horno. Luego, usando una recubridora por centrifugación, una máquina de microfabricación que utiliza fuerza centrífuga para esparcir uniformemente el material por un sustrato, dejaron caer la solución de parafina sobre una hoja de grafeno cultivada en una lámina de cobre. Esto esparce la parafina en una capa protectora, unas 20 micras de espesor, a través del grafeno.

Los investigadores transfirieron el grafeno recubierto de parafina a una solución que elimina la lámina de cobre. El grafeno recubierto se trasladó luego a una tina de agua tradicional, que se calentó a unos 40 grados centígrados. Usaron un sustrato de destino de silicio para recoger el grafeno de abajo y hornearlo en un horno a la misma temperatura.

Debido a que la parafina tiene un alto coeficiente de expansión térmica, se expande bastante cuando se calienta. Bajo este aumento de calor, la parafina se expande y estira el grafeno adherido debajo, reduciendo eficazmente las arrugas. Finalmente, los investigadores utilizaron una solución diferente para eliminar la parafina, dejando una monocapa de grafeno en el sustrato de destino.

En su papel los investigadores muestran imágenes microscópicas de una pequeña área del grafeno recubierto de parafina y recubierto de PMMA. El grafeno recubierto de parafina está casi completamente libre de residuos, mientras que el grafeno recubierto de PMMA parece muy dañado, como una ventana rayada.

Debido a que el revestimiento de cera ya es común en muchas aplicaciones de fabricación, como la aplicación de un revestimiento impermeable a un material, los investigadores creen que su método podría adaptarse fácilmente a los procesos de fabricación del mundo real. Notablemente, el aumento de temperatura para derretir la cera no debería afectar los costos de fabricación o la eficiencia, y la fuente de calor podría sustituirse en el futuro por una luz, dicen los investigadores.

Próximo, los investigadores tienen como objetivo minimizar aún más las arrugas y los contaminantes que quedan en el grafeno y ampliar el sistema a hojas más grandes de grafeno. También están trabajando en la aplicación de la técnica de transferencia a los procesos de fabricación de otros materiales 2-D.

"Continuaremos cultivando los materiales 2-D perfectos para áreas grandes, para que salgan naturalmente sin arrugas, "Dice Leong.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.