À gauche :un schéma d'un transistor à effet de champ en graphène utilisé dans cette étude. Le dispositif se compose d'une cellule solaire contenant du graphène empilé sur un semi-conducteur à haute performance en cuivre indium gallium diséléniure (CIGS), qui à son tour est empilé sur un substrat industriel (soit du verre sodocalcique, SLG, ou verre borosilicaté sans sodium, BSG). La recherche a révélé que le substrat SLG sert de source de dopage au sodium, et des performances améliorées du dispositif d'une manière qui n'est pas observée dans le substrat sans sodium. À droite :une micrographie électronique à balayage de l'appareil vue d'en haut, avec la barre d'échelle blanche mesurant 10 microns, et un médaillon de micrographie électronique à transmission de l'interface CIGS/graphène où la barre d'échelle blanche mesure 100 nanomètres. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Graphène, la centrale électrique en deux dimensions, emballe une durabilité extrême, conductivité électrique, et la transparence dans une feuille de carbone d'une épaisseur d'un atome. Bien qu'il soit présenté comme un "matériau merveilleux, " Le graphène a mis du temps à se lancer dans les produits et procédés commerciaux et industriels.
Maintenant, les scientifiques ont développé une méthode simple et puissante pour créer des personnalisé, et du graphène hautes performances :en le superposant à du verre ordinaire. Ce processus évolutif et peu coûteux ouvre la voie à une nouvelle classe de dispositifs microélectroniques et optoélectroniques, des cellules solaires efficaces aux écrans tactiles.
La collaboration, dirigée par des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), Université Stony Brook (SBU), et les Collèges de science et d'ingénierie à l'échelle nanométrique du SUNY Polytechnic Institute ont publié leurs résultats le 12 février 2016, dans la revue Rapports scientifiques .
« Nous pensons que ce travail pourrait faire avancer de manière significative le développement de technologies de graphène véritablement évolutives, " a déclaré le co-auteur de l'étude Matthew Eisaman, physicien au Brookhaven Lab et professeur au SBU.
Les scientifiques ont construit les dispositifs de validation de principe au graphène sur des substrats en verre sodocalcique, le verre le plus courant dans les fenêtres, bouteilles, et bien d'autres produits. Dans une tournure inattendue, les atomes de sodium dans le verre ont eu un effet puissant sur les propriétés électroniques du graphène.
Les co-auteurs supplémentaires Kim Kisslinger et Lihua Zhang (non représentés) ont effectué des mesures de microscopie électronique à haute résolution au Center for Functional Nanomaterials. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
"Le sodium à l'intérieur du verre sodocalcique crée une haute densité électronique dans le graphène, qui est essentiel à de nombreux processus et a été difficile à réaliser, " a déclaré la coauteure Nanditha Dissanayake de Voxtel, Inc., mais anciennement de Brookhaven Lab. "Nous avons en fait découvert cette solution efficace et robuste lors de la poursuite de quelque chose d'un peu plus complexe. De telles surprises font partie de la beauté de la science."
Surtout, l'effet est resté fort même lorsque les appareils ont été exposés à l'air pendant plusieurs semaines, une nette amélioration par rapport aux techniques concurrentes.
Le travail expérimental a été effectué principalement au département des technologies énergétiques durables de Brookhaven et au Center for Functional Nanomaterials (CFN), qui est une installation utilisateur du DOE Office of Science.
Les réglages de graphène en question tournent autour d'un processus appelé dopage, où les propriétés électroniques sont optimisées pour une utilisation dans les appareils. Cet ajustement consiste à augmenter soit le nombre d'électrons, soit les "trous" sans électrons dans un matériau pour trouver l'équilibre parfait pour différentes applications. Pour les appareils du monde réel réussis, il est également très important que le nombre local d'électrons transférés au graphène ne se dégrade pas avec le temps.
"Le processus de dopage au graphène implique généralement l'introduction de produits chimiques externes, ce qui non seulement augmente la complexité, mais cela peut aussi rendre le matériau plus vulnérable à la dégradation, " dit Eisaman. "Heureusement, nous avons trouvé un raccourci qui a surmonté ces obstacles."
L'équipe a initialement entrepris d'optimiser une cellule solaire contenant du graphène empilé sur un semi-conducteur à hautes performances en cuivre indium gallium diséléniure (CIGS), qui à son tour a été empilé sur un substrat industriel en verre sodocalcique.
Les scientifiques ont ensuite effectué des tests préliminaires du nouveau système pour fournir une base de référence pour tester les effets du dopage ultérieur. Mais ces tests ont révélé quelque chose d'étrange :le graphène était déjà dopé de manière optimale sans l'introduction de produits chimiques supplémentaires.
"À notre surprise, les couches de graphène et de CIGS formaient déjà une bonne jonction de cellules solaires !", a déclaré Dissanayake. "Après de nombreuses recherches, et l'isolement ultérieur du graphène sur le verre, nous avons découvert que le sodium dans le substrat créait automatiquement une densité électronique élevée au sein de notre graphène multicouche."
Co-auteurs de l'étude Nanditha Dissanayake, Matthieu Eisaman, Yutong Pang, et Ahsan Ashraf sont dans un laboratoire laser à Brookhaven. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Identifier le mécanisme par lequel le sodium agit comme dopant a impliqué une exploration minutieuse du système et de ses performances dans différentes conditions, y compris la fabrication de dispositifs et la mesure de la force de dopage sur une large gamme de substrats, avec et sans sodium.
"Le développement et la caractérisation des dispositifs ont nécessité une nanofabrication complexe, transfert délicat du graphène atomiquement mince sur des substrats rugueux, caractérisation structurale et électro-optique détaillée, et aussi la capacité de faire croître le semi-conducteur CIGS, " dit Dissanayake. "Heureusement, nous disposions à la fois de l'expertise et de l'instrumentation de pointe pour relever tous ces défis, ainsi qu'un financement généreux."
La majeure partie du travail expérimental a été menée au Brookhaven Lab en utilisant des techniques développées en interne, y compris la lithographie avancée. Pour les mesures en microscopie électronique à haute résolution, Les scientifiques du CFN et les coauteurs de l'étude, Kim Kisslinger et Lihua Zhang, ont apporté leur expertise. Les coauteurs Harry Efstathiadis et Daniel Dwyer, tous deux du College of Nanoscale Science and Engineering du SUNY Polytechnic Institute, ont dirigé les efforts visant à développer et à caractériser les films CIGS de haute qualité.
"Maintenant que nous avons démontré le concept de base, nous voulons nous concentrer ensuite sur la démonstration d'un contrôle fin de la force de dopage et de la structuration spatiale, " a déclaré Eisaman.
Les scientifiques doivent maintenant approfondir les principes fondamentaux du mécanisme de dopage et étudier plus attentivement la résilience du matériau lors de l'exposition à des conditions de fonctionnement réelles. Les premiers résultats, cependant, suggèrent que la méthode verre-graphene est beaucoup plus résistante à la dégradation que de nombreuses autres techniques de dopage.
« Les applications potentielles du graphène touchent de nombreux aspects de la vie quotidienne de chacun, de l'électronique grand public aux technologies énergétiques, " a déclaré Eisaman. " Il est trop tôt pour dire exactement quel impact nos résultats auront, mais c'est une étape importante vers la possibilité de rendre certaines de ces applications vraiment abordables et évolutives."
Par exemple, La conductivité et la transparence élevées du graphène en font un candidat très prometteur en tant que transparent, électrode conductrice pour remplacer l'oxyde d'indium-étain (ITO) relativement fragile et coûteux dans des applications telles que les cellules solaires, diodes électroluminescentes organiques (OLED), écrans plats, et écrans tactiles. Afin de remplacer ITO, Des méthodes évolutives et peu coûteuses doivent être développées pour contrôler la résistance du graphène au flux de courant électrique en contrôlant la force de dopage. Ce nouveau système verre-graphène pourrait relever ce défi, disent les chercheurs.
