29 maart 2024 (Nanowerk-schijnwerper) Grafeen, een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een tweedimensionaal honingraatrooster, heeft onderzoekers sinds de ontdekking ervan gefascineerd vanwege zijn buitengewone eigenschappen. De weg naar het realiseren van het volledige potentieel van grafeen wordt echter belemmerd door de uitdagingen die gepaard gaan met het produceren van grote, hoogwaardige grafeenfilms op een kosteneffectieve en schaalbare manier. In het afgelopen decennium zijn chemische dampafzetting (CVD) is naar voren gekomen als de belangrijkste methode voor het kweken van hoogwaardige, continue grafeenfilms. Ondanks opmerkelijke vooruitgang, zoals de synthese van dertig centimeter lange grafeenfilms met één kristal en de productie van 4 cm lange grafeenwafels met één kristal in slechts 10 minuten, wordt de CVD-methode nog steeds geconfronteerd met beperkingen in termen van efficiëntie en uniformiteit als gevolg van de complexe syntheseomstandigheden vereist. Het kweken van uniforme grafeenfilms met een groot oppervlak blijft een grote uitdaging, vooral als het gaat om het voldoen aan de eisen van productie op industriële schaal. In een recente doorbraak heeft een team van onderzoekers van het CAS Key Laboratory for Biomedical Effects of Nanomaterials and Nanosafety van het National Center for Nanoscience and Technology in Beijing, China, een nieuwe methode ontwikkeld voor het kweken van grafeen die veel van de beperkingen overwint die gepaard gaan met traditionele CVD-technieken. Hun scanning elektromagnetische inductie (SEMI) blusmethode maakt de ultrasnelle synthese van groot formaat, uniform grafeenglas in de open lucht mogelijk, zonder de noodzaak van een vacuümkamer of katalysator. Het onderzoek is gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen (“Zeer efficiënte groei van groot uniform grafeenglas in lucht door middel van het scannen van de elektromagnetische inductieblusmethode”).
Introductie van de SEMI-methode en het aldus geproduceerde grote uniforme grafeenglas.a) De illustratie van het zelfgebouwde experimentele systeem; b) Schematisch diagram van het grafeenvormingsmechanisme volgens de SEMI-methode; c) Een foto van een grafeenglas van 400 mm x 400 mm; d) De representatieve Raman-spectra verzameld op verschillende plaatsen in de grafeenfilm; e) TEM (HR-TEM)-afbeelding met hoge resolutie van de grafeenfilm overgebracht op een Cu-rooster; f) Verdeling van de oppervlakteweerstandswaarde op een gebied van 60 mm x 50 mm (verzameld uit 100 punten); g, h) Confocale SEM-Raman-resultaten; g) SEM-afbeelding, en de inzet is de HR-SEM-afbeelding; h) Raman-afbeelding van de G-piekintensiteit; i) Een foto van een grafeenpatroon; j) Een foto van een grafeenglasvezeltextuur; k) SEM-beeld van de grafeen-glasvezeltextuur, en de inzet is het SEM-beeld van het oppervlak van één vezel bedekt met doorlopende films. (Herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag) De SEMI-methode werkt door gebruik te maken van een elektromagnetisch inductie-instrument om snel een grafietplaat te verwarmen, die in nauw contact staat met een glassubstraat bedekt met een dunne laag poly-dopamine (PDA). Terwijl de inductiespoel over het substraat beweegt, wordt het glas onmiddellijk verwarmd en vormt zich langs het pad van de spoel een continue grafeenfilm op het oppervlak. Deze aanpak maakt de groei van grafeenfilms mogelijk zonder de groottebeperkingen die worden opgelegd door een vacuümkamer, waardoor deze veel schaalbaarder wordt dan CVD. Met behulp van de SEMI-methode produceerden de onderzoekers in slechts 400 minuten een grafeenglas van 400 mm x 2 mm, een aanzienlijke verbetering ten opzichte van CVD-technieken. Het resulterende grafeenglas vertoonde een uitstekende uniformiteit, filmhechting en volledige dekking, met een oppervlakteweerstand van minder dan 500 Ω sq.-1, veel lager dan die van grafeen geproduceerd met andere methoden. Bovendien vertoonde het grafeenglas een uitstekende thermische stabiliteit, waardoor de prestaties bij temperaturen tot 1000 °C stabiel bleven en de stabiliteit van andere transparante geleidende materialen zoals indiumtinoxide (ITO) en platinafilms werd overtroffen. De SEMI-methode biedt verschillende belangrijke voordelen ten opzichte van CVD, waaronder de mogelijkheid om grafeen bij hoge temperaturen in de open lucht te laten groeien, een scanbenadering die uniforme verwarming en koeling garandeert, en compatibiliteit met roll-to-roll-verwerking voor flexibele substraten. Door de noodzaak van een vacuümkamer en katalysator te elimineren, vermindert de SEMI-methode de productietijd en -kosten aanzienlijk, terwijl de groei van grafeen op substraten van vrijwel elke grootte mogelijk wordt gemaakt. De potentiële toepassingen van grafeenglas zijn enorm en omvatten industrieën zoals elektronica, energieopslag, lucht- en ruimtevaart en geneeskunde. In de elektronica zou grafeenglas een revolutie teweeg kunnen brengen in de productie van aanraakschermen, flexibele displays en zonnecellen, en superieure transparantie, geleidbaarheid en duurzaamheid bieden in vergelijking met de huidige materialen. In de energiesector zou grafeenglas de ontwikkeling van efficiëntere en lichtere batterijen mogelijk kunnen maken supercondensatoren. Voor lucht- en ruimtevaart- en automobieltoepassingen zou grafeenglas kunnen leiden tot de creatie van sterkere, lichtere en thermisch stabielere componenten. In de geneeskunde zou grafeenglas kunnen worden gebruikt om geavanceerde biosensoren, medicijnafgiftesystemen en zelfs kunstmatige organen te ontwikkelen. Naarmate het onderzoek naar de SEMI-methode voortduurt, wordt verwacht dat verdere optimalisaties en opschaling van het proces zullen leiden tot nog grotere vooruitgang in de productie van grafeenfilms. De succesvolle demonstratie van deze techniek op verschillende glassubstraten, waaronder kwarts-, glaskeramiek- en glasvezeltexturen, benadrukt de veelzijdigheid en het potentieel voor integratie met bestaande productieprocessen. Er blijven echter uitdagingen bestaan bij het volledig realiseren van het potentieel van de SEMI-methode. Verder onderzoek is nodig om de procesparameters, zoals de samenstelling van de PDA-laag, de temperatuur en de snelheid van de inductiespoel, te optimaliseren om de best mogelijke grafeenkwaliteit en uniformiteit te bereiken. Hoewel de SEMI-methode zeer schaalbaar is, is er bovendien nog steeds werk nodig om de infrastructuur en toeleveringsketens te ontwikkelen die nodig zijn voor grootschalige productie. Ondanks deze uitdagingen vertegenwoordigt de ontwikkeling van de SEMI-blusmethode een aanzienlijke sprong voorwaarts in de productie van hoogwaardige grafeenfilms met een groot oppervlak voor industriële toepassingen. Door de ultrasnelle groei van uniform grafeenglas in de open lucht mogelijk te maken, overwint deze innovatieve aanpak de beperkingen van traditionele CVD-methoden en maakt het de weg vrij voor de kosteneffectieve, grootschalige productie van op grafeen gebaseerde apparaten. Terwijl onderzoekers deze baanbrekende techniek de komende jaren blijven verfijnen en optimaliseren, kunnen we een nieuw tijdperk verwachten van op grafeen gebaseerde technologieën die de buitengewone eigenschappen van dit materiaal benutten om transformatieve toepassingen in een breed scala van industrieën te creëren. De SEMI-methode brengt ons een stap dichter bij het realiseren van het volledige potentieel van grafeen.
Introductie van de SEMI-methode en het aldus geproduceerde grote uniforme grafeenglas.a) De illustratie van het zelfgebouwde experimentele systeem; b) Schematisch diagram van het grafeenvormingsmechanisme volgens de SEMI-methode; c) Een foto van een grafeenglas van 400 mm x 400 mm; d) De representatieve Raman-spectra verzameld op verschillende plaatsen in de grafeenfilm; e) TEM (HR-TEM)-afbeelding met hoge resolutie van de grafeenfilm overgebracht op een Cu-rooster; f) Verdeling van de oppervlakteweerstandswaarde op een gebied van 60 mm x 50 mm (verzameld uit 100 punten); g, h) Confocale SEM-Raman-resultaten; g) SEM-afbeelding, en de inzet is de HR-SEM-afbeelding; h) Raman-afbeelding van de G-piekintensiteit; i) Een foto van een grafeenpatroon; j) Een foto van een grafeenglasvezeltextuur; k) SEM-beeld van de grafeen-glasvezeltextuur, en de inzet is het SEM-beeld van het oppervlak van één vezel bedekt met doorlopende films. (Herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag) De SEMI-methode werkt door gebruik te maken van een elektromagnetisch inductie-instrument om snel een grafietplaat te verwarmen, die in nauw contact staat met een glassubstraat bedekt met een dunne laag poly-dopamine (PDA). Terwijl de inductiespoel over het substraat beweegt, wordt het glas onmiddellijk verwarmd en vormt zich langs het pad van de spoel een continue grafeenfilm op het oppervlak. Deze aanpak maakt de groei van grafeenfilms mogelijk zonder de groottebeperkingen die worden opgelegd door een vacuümkamer, waardoor deze veel schaalbaarder wordt dan CVD. Met behulp van de SEMI-methode produceerden de onderzoekers in slechts 400 minuten een grafeenglas van 400 mm x 2 mm, een aanzienlijke verbetering ten opzichte van CVD-technieken. Het resulterende grafeenglas vertoonde een uitstekende uniformiteit, filmhechting en volledige dekking, met een oppervlakteweerstand van minder dan 500 Ω sq.-1, veel lager dan die van grafeen geproduceerd met andere methoden. Bovendien vertoonde het grafeenglas een uitstekende thermische stabiliteit, waardoor de prestaties bij temperaturen tot 1000 °C stabiel bleven en de stabiliteit van andere transparante geleidende materialen zoals indiumtinoxide (ITO) en platinafilms werd overtroffen. De SEMI-methode biedt verschillende belangrijke voordelen ten opzichte van CVD, waaronder de mogelijkheid om grafeen bij hoge temperaturen in de open lucht te laten groeien, een scanbenadering die uniforme verwarming en koeling garandeert, en compatibiliteit met roll-to-roll-verwerking voor flexibele substraten. Door de noodzaak van een vacuümkamer en katalysator te elimineren, vermindert de SEMI-methode de productietijd en -kosten aanzienlijk, terwijl de groei van grafeen op substraten van vrijwel elke grootte mogelijk wordt gemaakt. De potentiële toepassingen van grafeenglas zijn enorm en omvatten industrieën zoals elektronica, energieopslag, lucht- en ruimtevaart en geneeskunde. In de elektronica zou grafeenglas een revolutie teweeg kunnen brengen in de productie van aanraakschermen, flexibele displays en zonnecellen, en superieure transparantie, geleidbaarheid en duurzaamheid bieden in vergelijking met de huidige materialen. In de energiesector zou grafeenglas de ontwikkeling van efficiëntere en lichtere batterijen mogelijk kunnen maken supercondensatoren. Voor lucht- en ruimtevaart- en automobieltoepassingen zou grafeenglas kunnen leiden tot de creatie van sterkere, lichtere en thermisch stabielere componenten. In de geneeskunde zou grafeenglas kunnen worden gebruikt om geavanceerde biosensoren, medicijnafgiftesystemen en zelfs kunstmatige organen te ontwikkelen. Naarmate het onderzoek naar de SEMI-methode voortduurt, wordt verwacht dat verdere optimalisaties en opschaling van het proces zullen leiden tot nog grotere vooruitgang in de productie van grafeenfilms. De succesvolle demonstratie van deze techniek op verschillende glassubstraten, waaronder kwarts-, glaskeramiek- en glasvezeltexturen, benadrukt de veelzijdigheid en het potentieel voor integratie met bestaande productieprocessen. Er blijven echter uitdagingen bestaan bij het volledig realiseren van het potentieel van de SEMI-methode. Verder onderzoek is nodig om de procesparameters, zoals de samenstelling van de PDA-laag, de temperatuur en de snelheid van de inductiespoel, te optimaliseren om de best mogelijke grafeenkwaliteit en uniformiteit te bereiken. Hoewel de SEMI-methode zeer schaalbaar is, is er bovendien nog steeds werk nodig om de infrastructuur en toeleveringsketens te ontwikkelen die nodig zijn voor grootschalige productie. Ondanks deze uitdagingen vertegenwoordigt de ontwikkeling van de SEMI-blusmethode een aanzienlijke sprong voorwaarts in de productie van hoogwaardige grafeenfilms met een groot oppervlak voor industriële toepassingen. Door de ultrasnelle groei van uniform grafeenglas in de open lucht mogelijk te maken, overwint deze innovatieve aanpak de beperkingen van traditionele CVD-methoden en maakt het de weg vrij voor de kosteneffectieve, grootschalige productie van op grafeen gebaseerde apparaten. Terwijl onderzoekers deze baanbrekende techniek de komende jaren blijven verfijnen en optimaliseren, kunnen we een nieuw tijdperk verwachten van op grafeen gebaseerde technologieën die de buitengewone eigenschappen van dit materiaal benutten om transformatieve toepassingen in een breed scala van industrieën te creëren. De SEMI-methode brengt ons een stap dichter bij het realiseren van het volledige potentieel van grafeen.
– Michael is auteur van drie boeken van de Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: de grenzen van technologie verleggen,
Nanotechnologie: de toekomst is klein en
Nanoengineering: de vaardigheden en tools die technologie onzichtbaar maken
Copyright ©
Nanowerk LLC
Word een Spotlight-gastauteur! Sluit je aan bij onze grote en groeiende groep gastbijdragers. Heb je net een wetenschappelijk artikel gepubliceerd of heb je andere opwindende ontwikkelingen om te delen met de nanotechnologie-gemeenschap? Hier leest u hoe u op nanowerk.com publiceert.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64947.php
