29 במרץ, 2024 (Nanowerk זרקור) גרפן, שכבה אחת של אטומי פחמן המסודרים בסריג חלת דבש דו מימדי, כבשה את החוקרים מאז גילויה בשל תכונותיו יוצאות הדופן. עם זאת, הדרך למיצוי מלוא הפוטנציאל של הגרפן הופרעה על ידי האתגרים הקשורים בהפקת סרטי גרפן גדולים ואיכותיים באופן חסכוני וניתן להרחבה. בעשור האחרון, תצהיר אדים כימי (CVD) התגלתה כשיטה העיקרית לגידול סרטי גרפן רציפים באיכות גבוהה. למרות התקדמויות בולטות, כמו סינתזה של סרטי גרפן חד גבישי באורך 4 מטרים וייצור פרוסות גרפן חד גבישיות ב-10 דקות בלבד, שיטת ה-CVD עדיין עומדת בפני מגבלות במונחים של יעילות ואחידות בשל המורכבות. נדרשים תנאי סינתזה. גידול סרטי גרפן אחידים בשטח גדול נותר אתגר משמעותי, במיוחד כשמדובר בעמידה בדרישות של ייצור בקנה מידה תעשייתי. בפריצת דרך לאחרונה, צוות חוקרים ממעבדת המפתח CAS להשפעות ביו-רפואיות של ננו-חומרים וננו-בטיחות במרכז הלאומי לננו-מדעי וטכנולוגיה בבייג'ין, סין, פיתח שיטה חדשה לגידול גרפן שמתגברת על רבות מהמגבלות הקשורות טכניקות CVD מסורתיות. שיטת ההמרה של האינדוקציה האלקטרומגנטית הסריקה (SEMI) שלהם מאפשרת סינתזה מהירה במיוחד של זכוכית גרפן אחידה בגודל גדול באוויר הפתוח, ללא צורך בתא ואקום או זרז. המחקר פורסם ב חומרים פונקציונליים מתקדמים ("צמיחה יעילה ביותר של זכוכית גרפן אחידה בגודל גדול באוויר על ידי סריקת שיטת כיבוי אינדוקציה אלקטרומגנטית").
הצגת שיטת SEMI ובכך יוצרה זכוכית גרפן אחידה בגודל גדול.א)המחשה של מערכת הניסוי הבנויה ביתית; ב) תרשים סכמטי של מנגנון יצירת הגרפן בשיטת SEMI; ג) תצלום של זכוכית גרפן בגודל 400 מ"מ × 400 מ"מ; ד) ספקטרום ראמאן הייצוגי שנאסף באזורים שונים על פני סרט הגרפן; ה) תמונת TEM (HR-TEM) ברזולוציה גבוהה של סרט הגרפן המועבר לרשת Cu; ו) התפלגות ערכי התנגדות פני השטח על שטח של 60 מ"מ × 50 מ"מ (נאסף מ-100 נקודות); ז,ח) תוצאות SEM-Raman Confocal; ז) תמונת SEM, וההוספה היא תמונת HR-SEM; ח) מיפוי רמאן של שיא עוצמת ה-G; i) תצלום של תבנית גרפן; י) תצלום של מרקם סיבי זכוכית גרפן; k) תמונת SEM של מרקם סיבי זכוכית גרפן, והכניסה היא תמונת SEM של פני השטח של סיב אחד המצופה בסרטים רציפים. (נדפס מחדש באישור Wiley-VCH Verlag) שיטת SEMI פועלת על ידי שימוש במכשיר אינדוקציה אלקטרומגנטי לחימום מהיר של לוחית גרפיט, שנמצאת במגע הדוק עם מצע זכוכית המצופה בשכבה דקה של פולי-דופמין (PDA). כאשר סליל האינדוקציה נע על פני המצע, הזכוכית מתחממת באופן מיידי, וסרט גרפן רציף נוצר על פני השטח לאורך מסלול הסליל. גישה זו מאפשרת צמיחה של סרטי גרפן ללא מגבלות הגודל המוטלות על ידי תא ואקום, מה שהופך אותו להרבה יותר ניתן להרחבה מאשר CVD. באמצעות שיטת SEMI, החוקרים ייצרו זכוכית גרפן בגודל 400 מ"מ × 400 מ"מ תוך 2 דקות בלבד, שיפור משמעותי ביחס לטכניקות CVD. זכוכית הגרפן שהתקבלה הפגינה אחידות מצוינת, הידבקות סרט וכיסוי מלא, עם התנגדות פני השטח מתחת ל-500 Ω sq-1, נמוך בהרבה מזה של גרפן המיוצר בשיטות אחרות. בנוסף, זכוכית הגרפן הפגינה יציבות תרמית יוצאת דופן, שומרת על ביצועים יציבים בטמפרטורות של עד 1000 מעלות צלזיוס, עלתה על היציבות של חומרים מוליכים שקופים אחרים כמו אינדיום בדיל אוקסיד (ITO) וסרטי פלטינה. שיטת SEMI מציעה מספר יתרונות מרכזיים על פני CVD, כולל היכולת לגדל גרפן בטמפרטורות גבוהות באוויר הפתוח, גישת סריקה המבטיחה חימום וקירור אחידים ותאימות לעיבוד גליל לגליל עבור מצעים גמישים. על ידי ביטול הצורך בתא ואקום ובזרז, שיטת SEMI מפחיתה באופן משמעותי את זמן הייצור והעלויות תוך שהיא מאפשרת גידול של גרפן על מצעים בכל גודל כמעט. היישומים הפוטנציאליים של זכוכית גרפן הם עצומים, המשתרעים על תעשיות כמו אלקטרוניקה, אחסון אנרגיה, תעופה וחלל ורפואה. באלקטרוניקה, זכוכית גרפן יכולה לחולל מהפכה בייצור מסכי מגע, צגים גמישים ותאים סולאריים, להציע שקיפות, מוליכות ועמידות מעולים בהשוואה לחומרים הנוכחיים. בתחום האנרגיה, זכוכית גרפן יכולה לאפשר פיתוח של סוללות יעילות וקלות משקל יותר ו מנקי-על. עבור יישומי תעופה וחלל ומכוניות, זכוכית גרפן עלולה להוביל ליצירת רכיבים חזקים, קלים ויציבים יותר מבחינה תרמית. ברפואה, ניתן להשתמש בזכוכית גרפן לפיתוח חיישנים ביולוגיים מתקדמים, מערכות אספקת תרופות ואפילו איברים מלאכותיים. ככל שהמחקר על שיטת SEMI נמשך, אופטימיזציות נוספות והגדלת התהליך צפויים להוביל להתקדמות גדולה עוד יותר בייצור סרטי גרפן. ההדגמה המוצלחת של טכניקה זו על מצעי זכוכית שונים, לרבות טקסטורות קוורץ, זכוכית-קרמיקה וסיבי זכוכית, מדגישה את הרבגוניות והפוטנציאל שלה לשילוב עם תהליכי ייצור קיימים. עם זאת, נותרו אתגרים במימוש מלא של הפוטנציאל של שיטת SEMI. יש צורך במחקר נוסף כדי לייעל את פרמטרי התהליך, כגון הרכב שכבת ה-PDA, הטמפרטורה ומהירות סליל האינדוקציה, כדי להשיג את האיכות והאחידות הטובות ביותר של גרפן. בנוסף, בעוד ששיטת SEMI ניתנת להרחבה מאוד, עדיין נדרשת עבודה לפיתוח התשתית ושרשרות האספקה הנחוצות לייצור בקנה מידה גדול. למרות האתגרים הללו, פיתוח שיטת ה-SEMI מרווה מהווה קפיצת מדרגה משמעותית בייצור סרטי גרפן באיכות גבוהה בשטח גדול ליישומים תעשייתיים. על ידי מתן אפשרות לצמיחה מהירה במיוחד של זכוכית גרפן אחידה באוויר הפתוח, גישה חדשנית זו מתגברת על המגבלות של שיטות CVD מסורתיות וסוללת את הדרך לייצור חסכוני ובקנה מידה גדול של מכשירים מבוססי גרפן. בשנים הקרובות, כאשר החוקרים ממשיכים לשכלל ולייעל את הטכניקה פורצת הדרך הזו, אנו יכולים לצפות לראות עידן חדש של טכנולוגיות מבוססות גרפן הממנפות את התכונות יוצאות הדופן של החומר הזה כדי ליצור יישומים טרנספורמטיביים במגוון רחב של תעשיות. שיטת SEMI מקרבת אותנו צעד אחד למיצוי מלוא הפוטנציאל של הגרפן.
הצגת שיטת SEMI ובכך יוצרה זכוכית גרפן אחידה בגודל גדול.א)המחשה של מערכת הניסוי הבנויה ביתית; ב) תרשים סכמטי של מנגנון יצירת הגרפן בשיטת SEMI; ג) תצלום של זכוכית גרפן בגודל 400 מ"מ × 400 מ"מ; ד) ספקטרום ראמאן הייצוגי שנאסף באזורים שונים על פני סרט הגרפן; ה) תמונת TEM (HR-TEM) ברזולוציה גבוהה של סרט הגרפן המועבר לרשת Cu; ו) התפלגות ערכי התנגדות פני השטח על שטח של 60 מ"מ × 50 מ"מ (נאסף מ-100 נקודות); ז,ח) תוצאות SEM-Raman Confocal; ז) תמונת SEM, וההוספה היא תמונת HR-SEM; ח) מיפוי רמאן של שיא עוצמת ה-G; i) תצלום של תבנית גרפן; י) תצלום של מרקם סיבי זכוכית גרפן; k) תמונת SEM של מרקם סיבי זכוכית גרפן, והכניסה היא תמונת SEM של פני השטח של סיב אחד המצופה בסרטים רציפים. (נדפס מחדש באישור Wiley-VCH Verlag) שיטת SEMI פועלת על ידי שימוש במכשיר אינדוקציה אלקטרומגנטי לחימום מהיר של לוחית גרפיט, שנמצאת במגע הדוק עם מצע זכוכית המצופה בשכבה דקה של פולי-דופמין (PDA). כאשר סליל האינדוקציה נע על פני המצע, הזכוכית מתחממת באופן מיידי, וסרט גרפן רציף נוצר על פני השטח לאורך מסלול הסליל. גישה זו מאפשרת צמיחה של סרטי גרפן ללא מגבלות הגודל המוטלות על ידי תא ואקום, מה שהופך אותו להרבה יותר ניתן להרחבה מאשר CVD. באמצעות שיטת SEMI, החוקרים ייצרו זכוכית גרפן בגודל 400 מ"מ × 400 מ"מ תוך 2 דקות בלבד, שיפור משמעותי ביחס לטכניקות CVD. זכוכית הגרפן שהתקבלה הפגינה אחידות מצוינת, הידבקות סרט וכיסוי מלא, עם התנגדות פני השטח מתחת ל-500 Ω sq-1, נמוך בהרבה מזה של גרפן המיוצר בשיטות אחרות. בנוסף, זכוכית הגרפן הפגינה יציבות תרמית יוצאת דופן, שומרת על ביצועים יציבים בטמפרטורות של עד 1000 מעלות צלזיוס, עלתה על היציבות של חומרים מוליכים שקופים אחרים כמו אינדיום בדיל אוקסיד (ITO) וסרטי פלטינה. שיטת SEMI מציעה מספר יתרונות מרכזיים על פני CVD, כולל היכולת לגדל גרפן בטמפרטורות גבוהות באוויר הפתוח, גישת סריקה המבטיחה חימום וקירור אחידים ותאימות לעיבוד גליל לגליל עבור מצעים גמישים. על ידי ביטול הצורך בתא ואקום ובזרז, שיטת SEMI מפחיתה באופן משמעותי את זמן הייצור והעלויות תוך שהיא מאפשרת גידול של גרפן על מצעים בכל גודל כמעט. היישומים הפוטנציאליים של זכוכית גרפן הם עצומים, המשתרעים על תעשיות כמו אלקטרוניקה, אחסון אנרגיה, תעופה וחלל ורפואה. באלקטרוניקה, זכוכית גרפן יכולה לחולל מהפכה בייצור מסכי מגע, צגים גמישים ותאים סולאריים, להציע שקיפות, מוליכות ועמידות מעולים בהשוואה לחומרים הנוכחיים. בתחום האנרגיה, זכוכית גרפן יכולה לאפשר פיתוח של סוללות יעילות וקלות משקל יותר ו מנקי-על. עבור יישומי תעופה וחלל ומכוניות, זכוכית גרפן עלולה להוביל ליצירת רכיבים חזקים, קלים ויציבים יותר מבחינה תרמית. ברפואה, ניתן להשתמש בזכוכית גרפן לפיתוח חיישנים ביולוגיים מתקדמים, מערכות אספקת תרופות ואפילו איברים מלאכותיים. ככל שהמחקר על שיטת SEMI נמשך, אופטימיזציות נוספות והגדלת התהליך צפויים להוביל להתקדמות גדולה עוד יותר בייצור סרטי גרפן. ההדגמה המוצלחת של טכניקה זו על מצעי זכוכית שונים, לרבות טקסטורות קוורץ, זכוכית-קרמיקה וסיבי זכוכית, מדגישה את הרבגוניות והפוטנציאל שלה לשילוב עם תהליכי ייצור קיימים. עם זאת, נותרו אתגרים במימוש מלא של הפוטנציאל של שיטת SEMI. יש צורך במחקר נוסף כדי לייעל את פרמטרי התהליך, כגון הרכב שכבת ה-PDA, הטמפרטורה ומהירות סליל האינדוקציה, כדי להשיג את האיכות והאחידות הטובות ביותר של גרפן. בנוסף, בעוד ששיטת SEMI ניתנת להרחבה מאוד, עדיין נדרשת עבודה לפיתוח התשתית ושרשרות האספקה הנחוצות לייצור בקנה מידה גדול. למרות האתגרים הללו, פיתוח שיטת ה-SEMI מרווה מהווה קפיצת מדרגה משמעותית בייצור סרטי גרפן באיכות גבוהה בשטח גדול ליישומים תעשייתיים. על ידי מתן אפשרות לצמיחה מהירה במיוחד של זכוכית גרפן אחידה באוויר הפתוח, גישה חדשנית זו מתגברת על המגבלות של שיטות CVD מסורתיות וסוללת את הדרך לייצור חסכוני ובקנה מידה גדול של מכשירים מבוססי גרפן. בשנים הקרובות, כאשר החוקרים ממשיכים לשכלל ולייעל את הטכניקה פורצת הדרך הזו, אנו יכולים לצפות לראות עידן חדש של טכנולוגיות מבוססות גרפן הממנפות את התכונות יוצאות הדופן של החומר הזה כדי ליצור יישומים טרנספורמטיביים במגוון רחב של תעשיות. שיטת SEMI מקרבת אותנו צעד אחד למיצוי מלוא הפוטנציאל של הגרפן.
By
מיכאל
ברגר
- מייקל הוא מחברם של שלושה ספרים מאת האגודה המלכותית לכימיה:
ננו-אגודה: לדחוף את גבולות הטכנולוגיה,
ננו-טכנולוגיה: העתיד זעיר, ו
ננו-הנדסה: הכישורים והכלים שהופכת את הטכנולוגיה לבלתי נראית
כל הזכויות שמורות ©
Nanowerk LLC
הפוך לסופר אורח זרקור! הצטרף לקבוצה הגדולה והגדלה שלנו של תורמים אורחים. האם פרסמת זה עתה מאמר מדעי או שיש לך התפתחויות מרגשות אחרות לחלוק עם קהילת הננוטכנולוגיה? כך לפרסם באתר nanowerk.com.
- הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
- PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
- PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
- מקור: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64947.php
