Ända sedan grafen upptäcktes 2004 har det fått uppmärksamhet för dess extraordinära egenskaper, bland annat den extremt höga ledningsförmågan. Den höga förmågan har dock bara observerats hos grafen som har framställts med hjälp av komplexa och dyra tillverkningsmetoder. Nu rapporterar forskare vid Chalmers om en förvånansvärt hög ledningsförmåga vid en typ av grafen som har framställts med mycket billigare och enklare metoder.

Illustration: Munis Khan

– Fyndet visar att grafen som överförs till billiga och flexibla substrat fortfarande kan ha en kompromisslöst hög ledningsförmåga, och det kan bana väg för en ny era av grafennanoelektronik, säger Munis Khan, forskare vid Chalmers.

Grafen är ämnet som består av ett skikt av en kolatom, känt som världens tunnaste material. Det har blivit ett populärt val inom bland annat halvledar- och fordonsindustrin på grund av dess utmärkta elektriska, kemiska och materiella egenskaper. En av de egenskaperna är att det är extremt hög ledningsförmåga.

– Inom det fasta tillståndets fysik avser elektronbärarens rörlighet hur snabbt en elektron kan röra sig genom en metall eller halvledare när den dras av ett elektriskt fält. Grafens höga elektronrörlighet visar på att det har stor potential för bredbandskommunikation och höghastighetselektronik som arbetar med terahertz-omkopplingshastigheter. Dessutom gör de andra materialegenskaperna, såsom hög kemisk stabilitet, utmärkt transparens och elektrisk känslighet mot biokemikalier att det är ett utmärkt material för bland annat displayer och biosensorer.

Den extremt höga så kallade bärarmobiliteten i grafen har dock bara observerats när man använder komplexa och dyra tillverkningsmetoder, vilket i sin tur blir ett hinder för massproduktion.

Nu kan Munis Khan och hans kollegor visa på en förvånansvärt hög bärarmobilitet hos så kallad CVD-grafen som odlas på opolerad kopparfolie och överförs till EVA/PET-lamineringsfolie med hjälp av en vanlig kontorslaminator och våt etsning av koppar. Bärarmobiliteten i det plastplacerade grafenet ökade upp till åtta gånger efter att ha exponerats för 60-gradig värme i några timmar.

– Denna slutsats visar att även billiga och flexibla grafenenheter fortfarande kan ha en väldigt hög bärarmobilitet. I vår artikel föreslår vi en enkel metod för att tillverka billiga grafenenheter på flexibla substrat med hög bärarmobilitet. Egenskaperna begränsas förmodligen bara av CVD-processen och renheten hos kopparen.

Just nu studeras om CVD-grafen som överförs till EVA/PET-lamineringsfolie kan användas i tillämpningar som kräver flexibel och töjbar elektronik. Det rör till exempel elektronisk hud och bärbara elektroniska enheter, produkter som kräver hög flexibilitet och töjbarhet. Konventionella halvledare saknar de överlägsna egenskaper som grafen har, vilket gör dem olämpliga för sådana tillämpningar – ofta krävs flexibla grafenfilmer med mycket hög ledningsförmåga.

– Vår observation kommer verkligen att öka omfattningen av sådana flexibla grafenfilmer inom det här området, och det skulle också kunna inleda till en ny era av flexibel elektronik. Tillämpningar som kräver ledande tunna filmer av grafen kan nu realiseras med den prisvärda och enkla metod som föreslås i vår artikel.

– I vår forskargrupp har vi för avsikt att använda sådana filmer av grafen för att göra extremt känsliga biosensorer, terahertz-detektorer och högfrekventa enheter, applikationer som också kräver hög bärarmobilitet. Utmaningen blir att integrera mikrotillverkningstekniker för att tillverka enheter på flexibla substrat. När sådana problem har åtgärdats, förmodligen inom några år, så kan vi börja använda den sortens grafenfilmer för att tillverka enheter för industriellt bruk.

Forskningen utfördes delvis i Chalmers MyFab-renrumsanläggning.

Text: Robert Karlsson

Filed under: SvenskTeknik