Una nueva forma de hacer grandes hojas de alta calidad, el grafeno atómicamente delgado podría conducir a ultraligero, células solares flexibles, ya nuevas clases de dispositivos emisores de luz y otros componentes electrónicos de película delgada.

El nuevo proceso de fabricación, que se desarrolló en el MIT y debería ser relativamente fácil de ampliar para la producción industrial, implica una capa intermedia de material "amortiguador" que es clave para el éxito de la técnica. El tampón permite que la hoja de grafeno ultradelgada, menos de un nanómetro (mil millonésima parte de un metro) de espesor, para ser fácilmente despegado de su sustrato, lo que permite una fabricación rápida de rollo a rollo.

El proceso se detalla en un artículo publicado ayer en Materiales funcionales avanzados , por los postdoctorados del MIT Giovanni Azzellino y Mahdi Tavakoli; profesores Jing Kong, Tomás Palacios, y Markus Buehler; y otros cinco en MIT.

Encontrar una manera de adelgazar área grande, Los electrodos transparentes que son estables al aire libre han sido una búsqueda importante en la electrónica de película delgada en los últimos años. para una variedad de aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos, cosas que emiten luz, como pantallas de computadoras y teléfonos inteligentes, o cosecharlo, como células solares. El estándar actual para tales aplicaciones es el óxido de indio y estaño (ITO), un material basado en elementos químicos raros y costosos.

Muchos grupos de investigación han trabajado para encontrar un reemplazo para ITO, centrándose en materiales candidatos tanto orgánicos como inorgánicos. Grafeno una forma de carbono puro cuyos átomos están dispuestos en una matriz hexagonal plana, tiene propiedades eléctricas y mecánicas extremadamente buenas, sin embargo, es extremadamente delgado, físicamente flexible, y hecho de abundante, material económico. Es más, se puede cultivar fácilmente en forma de láminas grandes mediante deposición química de vapor (CVD), usando cobre como capa de semillas, como ha demostrado el grupo de Kong. Sin embargo, para aplicaciones de dispositivos, la parte más complicada ha sido encontrar formas de liberar el grafeno cultivado por CVD de su sustrato de cobre nativo.

Este lanzamiento, conocido como proceso de transferencia de grafeno, tiende a resultar en una red de lágrimas, arrugas y defectos en las hojas, lo que interrumpe la continuidad de la película y, por lo tanto, reduce drásticamente su conductividad eléctrica. Pero con la nueva tecnología, Azzellino dice, "ahora podemos fabricar de forma fiable láminas de grafeno de gran superficie, transferirlos al sustrato que queramos, y la forma en que los transferimos no afecta las propiedades eléctricas y mecánicas del prístino grafeno ".

La clave es la capa amortiguadora, hecho de un material polimérico llamado parileno, que se ajusta a nivel atómico a las láminas de grafeno sobre las que se despliega. Como el grafeno el parileno es producido por CVD, lo que simplifica el proceso de fabricación y la escalabilidad.

Como demostración de esta tecnología, el equipo fabricó células solares de prueba de concepto, Adoptando un material de célula solar polimérica de película delgada, junto con la capa de grafeno recién formada para uno de los dos electrodos de la celda, y una capa de parileno que también sirve como sustrato del dispositivo. Midieron una transmitancia óptica cercana al 90 por ciento para la película de grafeno bajo luz visible.

La célula solar prototipada basada en grafeno mejora aproximadamente 36 veces la potencia entregada por peso, en comparación con los dispositivos de última generación basados ​​en ITO. También utiliza 1/200 la cantidad de material por unidad de área para el electrodo transparente. Y, hay una ventaja fundamental adicional en comparación con ITO:"El grafeno es casi gratis, "Dice Azzellino.

"Los dispositivos ultraligeros basados ​​en grafeno pueden allanar el camino hacia una nueva generación de aplicaciones, ", dice." Entonces, si piensas en dispositivos portátiles, la potencia por peso se convierte en una figura de mérito muy importante. ¿Qué pasaría si pudiéramos implementar una celda solar transparente en su tableta que sea capaz de encender la tableta en sí misma? "Aunque se necesitarían algunos desarrollos adicionales, tales aplicaciones deberían ser factibles en última instancia con este nuevo método, él dice.

El material tampón, parileno es ampliamente utilizado en la industria de la microelectrónica, generalmente para encapsular y proteger dispositivos electrónicos. Entonces, las cadenas de suministro y los equipos para usar el material ya están muy extendidos, Dice Azzellino. De los tres tipos existentes de parileno, Las pruebas del equipo mostraron que uno de ellos, que contiene más átomos de cloro, fue, con mucho, el más eficaz para esta aplicación.

La proximidad atómica del parileno rico en cloro al grafeno subyacente a medida que las capas están intercaladas proporciona una ventaja adicional, ofreciendo una especie de "dopaje" para el grafeno, finally providing a more reliable and nondestructive approach for conductivity improvement of large-area graphene, unlike many others that have been tested and reported so far.

"The graphene and the parylene films are always face-to-face, " Azzellino says. "So basically, the doping action is always there, and therefore the advantage is permanent."

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