Protecting graphene from atmospheric dopants with the use of an organic self-assembled monolayer
Grafeen: van wondermateriaal tot langdurig stabiele toepassingen
Met de ontdekking van grafeen in 2004 werd, voor het eerst in de geschiedenis, een 2D materiaal geproduceerd. Dit merkwaardige materiaal trok meteen de aandacht van wetenschappers over de hele wereld omwille van zijn werkelijk ongeziene eigenschappen. Al snel werden tal van potentiële revolutionaire toepassingen voorgesteld, gaande van sterke en lichte materialen tot flexibele touchscreens en ultrasnelle transistors. Vooral op het gebied van elektronica heeft grafeen het potentieel een ware technologische revolutie te veroorzaken. De integratie van grafeen in elektronische toepassingen vormt echter ook ernstige uitdagingen. Zo zijn grafeengebaseerde elektronische toepassingen niet stabiel wanneer deze worden blootgesteld aan de atmosfeer. Dit wordt toegeschreven aan de aanwezigheid van zuurstof en water in de buurt van het grafeenoppervlak. Wanneer deze moleculen adsorberen op het grafeenoppervlak, zorgt een proces genaamd dopering ervoor dat de elektronische eigenschappen van het grafeen sterk beïnvloed worden. In dit eindwerk werd daarom onderzocht of een zelf-geassembleerde pentacontaanlaag in staat is om het grafeenoppervlak te passiveren.
Wat is grafeen?
Grafeen is een 2D materiaal opgebouwd uit enkel koolstofatomen gerangschikt in een honinggraatstructuur. In feite is grafeen niets anders dan één grafietlaagje, zoals iedereen er wellicht al meerdere heeft geproduceerd wanneer hij/zij aantekeningen maakte met een potlood. Gedurende lange tijd werd echter verondersteld dat 2D materialen niet konden bestaan in een 3D wereld. De officiële ontdekking ervan in 2004 kwam dan ook als een ware schok voor de wetenschappelijke wereld, waarbij een volledig nieuw onderzoeksdomein werd geopend, namelijk dat van 2D materialen.
Wat maakt grafeen zo bijzonder?
Sinds zijn ontdekking heeft grafeen de wetenschappelijke wereld keer op keer met verstomming geslagen met de onthulling van werkelijk ongeziene eigenschappen. Zo is grafeen niet enkel het dunste materiaal ter wereld, het is tevens vrij elastisch en tot 100 maal sterker dan staal. Dit maakt grafeen uitermate geschikt voor het produceren van ultrasterke en toch vederlichte materialen. Toeval of niet, maar de Servische nummer 1 van de wereld, Novak Djokovic, won eerder dit jaar het tennistoernooi van Wimbledon met een raket gebaseerd op grafeentechnologie.
Wat grafeen echt bijzonder maakt, is zijn unieke elektronische structuur met een elektronische mobiliteit tot 100 maal hoger dan het conventionele silicium. Grafeen wordt daarom vaak bestempeld als het materiaal bij uitstek voor de productie van de volgende generatie transistors, het hart van elke computer. Als grafeen zijn verwachtingen kan waarmaken, spreken we binnenkort misschien niet langer van ‘Silicon Valley’, maar van ‘Graphene Valley’. Andere veelbelovende toepassingen zijn flexibele touchscreens, transparante elektrodes voor verbeterde zonnecellen en LED-verlichting, ultragevoelige gassensoren, etc.
Het lijstje aan bijzondere eigenschappen en mogelijke toepassingen reikt nog veel verder, maar het is nu al duidelijk dat grafeen zijn naam als ‘wondermateriaal’ niet heeft gestolen. De ontdekkers van grafeen werden daarom in 2010, niet onverwacht, bekroond met de Nobelprijs Fysica.
De uitdagingen
Grafeen mag dan wel bestempeld worden als een wondermateriaal, het heeft nog een lange weg af te leggen vooraleer het zal zorgen voor een technologische revolutie. Ondanks het feit dat grafeen van lagere kwaliteit reeds gebruikt wordt als composietmateriaal voor het verstevigen van een select aantal producten, blijft het wachten op de eerste wereldschokkende toepassing.
Dit laatste kan enkel gerealiseerd worden wanneer de bijzondere eigenschappen van grafeen ten volle benut kunnen worden, en daar schuilt het grootste probleem. Grafeen van hoge kwaliteit kan op dit moment enkel op laboschaal geproduceerd worden. Wanneer grafeen echter de markt wil veroveren, zal het erop aankomen dit hoogkwalitatieve grafeen ook op grotere schaal te kunnen produceren. Bovendien mag de productieprijs de kwalitatieve meerwaarde van de toepassing niet overschrijden om economisch rendabel te zijn.
Een bijkomende uitdaging vormt de productie van langdurig stabiele toepassingen. De hoge gevoeligheid van grafeen voor geadsorbeerde moleculen aan z’n oppervlak maakt het enerzijds mogelijk ultragevoelige gassensoren te ontwikkelen, anderzijds leidt dit ook tot onstabiele en ongecontroleerde eigenschappen. Wanneer grafeen wordt blootgesteld aan de atmosfeer, veranderen zijn elektronische eigenschappen drastisch ten gevolge van een proces genaamd dopering.
Oppervlaktepassivering
Het hoeft weinig betoog dat commerciële grafeentoepassingen langdurige stabiliteit aan de atmosfeer vereisen. Hier biedt oppervlaktepassivering een mogelijke oplossing. Dit houdt in dat een dunne laag materiaal wordt aangebracht op het grafeenoppervlak, die een fysische barrière vormt tussen zuurstof en water uit de atmosfeer enerzijds en het grafeen anderzijds. Deze aanpak moet het mogelijk maken om de langdurige prestaties van grafeengebaseerde elektronische toepassingen te verbeteren.
Van cruciaal belang hierbij is dat de gekozen passiveringslaag zelf de elektronische eigenschappen van het grafeen niet verstoort. Hiervoor werd geopteerd voor een zelf-geassembleerde pentacontaanlaag. Omwille van zijn chemische structuur – pentacontaan is een lineair alkaan bestaande uit 50 koolstofatomen – verstoort pentacontaan de elektronische eigenschappen van grafeen niet. Bovendien kan pentacontaan vrij eenvoudig worden aangebracht op het grafeenoppervlak, simpelweg door onderdompelen van grafeen in sterk verdunde tolueenoplossingen. Tijdens het onderdompelen zorgt een fundamenteel chemisch proces, genaamd zelf-assemblage, ervoor dat hoogkwalitatieve netwerken van pentacontaan gevormd worden aan het oppervlak.
Ten slotte werd het oppervlaktepassiveringspotentieel van dergelijke pentacontaanlaag getest. Het bleek technisch echter vrij ingewikkeld om de invloed van atmosferische deeltjes op het gepassiveerde grafeenoppervlak te testen. Daarom werd gekozen voor het aanbrengen van amines op het gepassiveerde grafeenoppervlak. Van amines is namelijk geweten dat het sterke doperingsmiddelen voor grafeen zijn, net zoals zuurstof en water uit de atmosfeer. Metingen toonden aan dat door het passiveren van het grafeenoppervlak met pentacontaan het doperingseffect veroorzaakt door de amines zo goed als volledig vermeden kan worden.
Samengevat kan er dus gesteld worden dat het passiveren van grafeen door middel van een zelf-geassembleerde pentacontaanlaag een groot potentieel vertoont om langdurig stabiele toepassingen te realiseren. Op deze manier vormt dit onderzoek een stapje in de richting van de commerciële doorbraak van grafeen en de technologische revolutie die daarmee wordt verondersteld gepaard te gaan.
