Покрытие графена воском уменьшает загрязнение во время изготовления устройства

]

Чтобы защитить графен от морщин и загрязняющих веществ, которые ухудшают его характеристики, которые портят его поверхность во время изготовления устройства, ученые MIT искали использование обычного материала: воска.

На изображении справа показан графеновый лист, покрытый воском на этапе переноса подложки. Этот метод значительно уменьшил морщины на поверхности графена по сравнению с традиционным полимерным покрытием (слева). (Предоставлено исследователями)

Графен, тонкий в атоме материал, демонстрирует большой потенциал для использования в создании электроники следующего поколения. Ученые исследуют возможности использования уникального материала в схемах для квантовых компьютеров и гибкой электроники, а также в ряде других устройств.

Но взять деликатный материал из субстрата, на котором он вырос, и перенести его на новый субстрат очень сложно. Традиционные методы обертывают графен в полимер, который защищает от разрушения, но также добавляет частицы и дефекты на поверхность графена. Они препятствуют электрическому потоку и удушают работу.

В статье, опубликованной в Nature Communications ученые описывают метод изготовления, который наносит покрытие из воска на лист графена и нагревает его. Высокая температура заставляет воск расширяться, который выравнивает графен, чтобы уменьшить морщины. Кроме того, покрытие можно смыть, не оставляя после себя много остатков.

В экспериментах, проведенных командой, покрытый воском графен показал себя в четыре раза лучше, чем графен, изготовленный с традиционным полимерным защитным слоем. Производительность в этом случае измеряется в «подвижности электронов» – значении того, как быстро электроны проходят через поверхность материала, – которому препятствуют поверхностные дефекты.

Как и вощение пола, вы можете нанести покрытие того же типа поверх графена большой площади и использовать его в качестве слоя, чтобы извлечь графен из подложки для роста металла и перенести ее на любую желаемую подложку. Эта технология очень полезна, потому что она решает две проблемы одновременно: морщины и остатки полимера.

Вей Сун Леонг, первый автор исследования и постдок, факультет электротехники и компьютерных наук (EECS), MIT.

Соавтор Хаоше Ванг, аспирант EECS, говорит, что использование воска может звучать как естественное решение, но для этого нужно думать по-другому: «Будучи студентами, мы ограничиваемся сложными материалами, доступными в лаборатории. Вместо этого в этой работе мы выбрали материал, который обычно используется в нашей повседневной жизни ».

Помимо Леонга и Вана, другими авторами статьи являются: Цзин Конг и Томас Паласиос, оба профессора EECS; Маркус Бюлер, профессор и заведующий кафедрой гражданского и экологического строительства (ЦВЕ); и шесть других аспирантов, постдоков и исследователей из ЦВЕ, EECS и факультета машиностроения.

«Идеальный» протектор

Для выращивания графена на больших площадях 2D материал обычно выращивают на коммерческой медной подложке. Затем его защищают «жертвенным» полимерным слоем, обычно полиметилметакрилатом (ПММА). Покрытый ПММА графен помещают в ванну с кислотным раствором до полного исчезновения меди. Оставшийся ПММА-графен промывают водой, затем сушат, и слой ПММА окончательно удаляют.

Морщины закрадываются, когда между графеном и субстратом назначения попадает вода, которую ПММА не останавливает. Кроме того, ПММА состоит из сложных цепочек атомов кислорода, водорода и углерода, которые образуют мощные связи с атомами графена. Это оставляет частицы на поверхности, когда это удалено.

Ученые пытались изменить ПММА и другие полимеры, чтобы минимизировать морщины и остатки, но без особого успеха. Ученые Массачусетского технологического института вместо этого охотились за совершенно новыми материалами, даже когда использовали коммерческую термоусадочную пленку. « Это было не так успешно, но мы действительно пытались», – говорит Ван, с удивлением.

После изучения материаловедческой литературы команда выбрала парафин, широко используемый белый, полупрозрачный воск, используемый для полировки, свечей и водостойких покрытий, среди других применений.

При моделировании перед испытанием группа Бюлера, которая изучает свойства материалов, не обнаружила никаких известных реакций между графеном и парафином. Это из-за очень основной химической структуры парафина.

Воск был настолько идеальным для этого жертвенного слоя. Это просто простые углеродные и водородные цепи с низкой реакционной способностью по сравнению со сложной химической структурой ПММА, которая связывается с графеном.

Вей Сун Леонг, первый автор исследования и постдок, факультет электротехники и компьютерных наук (EECS), MIT.

Передача очистителя

В своем методе ученые сначала расплавили небольшие кусочки парафина в духовке. Затем, используя устройство для нанесения центрифугирования, микростроительную машину, которая применяет центробежную силу для равномерного распределения материала по подложке, они наносят раствор парафина на лист графена, выращенный на медной фольге. Это распространило парафин в защитный слой толщиной примерно 20 микрон по всему графену.

Ученые перевели покрытый парафином графен в раствор, который забирает медную фольгу. Затем покрытый графен перемещали в традиционную водяную ванну, которую нагревали до примерно 40 ° С. Они использовали кремниевый субстрат для извлечения графена снизу и выпекали в духовке с постоянной температурой.

Поскольку парафин имеет высокий коэффициент теплового расширения, при нагревании он значительно расширяется. Под воздействием этого повышения температуры парафин расширяется и растягивает прикрепленный графен под ним, эффективно уменьшая морщины. Чтобы закончить, ученые использовали другое решение, чтобы смыть парафин, оставляя один слой графена на субстрате назначения.

В своей работе ученые демонстрируют микроскопические изображения небольшого участка графена, покрытого парафином и ПММА. Графен, покрытый парафином, почти полностью очищен от мусора, а графен, покрытый ПММА, выглядит сильно поврежденным, подобно поцарапанному окну.

Поскольку восковое покрытие уже широко используется в ряде производственных применений, таких как нанесение водонепроницаемого покрытия на материал, команда считает, что их техника может быть легко адаптирована к практическим процессам изготовления. В частности, повышение температуры расплавления воска не должно влиять на эффективность или стоимость изготовления, а источник нагрева впоследствии может быть заменен светом, объясняют ученые.

В дальнейшем ученые хотят еще больше уменьшить морщины и загрязнения, оставленные на графене, и расширить систему для обработки больших листов графена. Они также стремятся применить метод переноса к процессам изготовления других 2D материалов.

Мы продолжим выращивать идеальные двумерные материалы большой площади, чтобы они были естественными без складок.

Вей Сун Леонг, первый автор исследования и постдок, факультет электротехники и компьютерных наук (EECS), MIT.

Source link