باز کردن نانولوله های کربنی به منظور ساخت نوارهای گرافن
Unzip Carbon Nanotubes to Make Ribbons of Graphene
.jpg)
در آپریل سال 2009 ،گرافن که لایه کربنی با قطر یک اتم است،با خواص الکتریکی قابل توجه خود نوید ترانزیستورهای پر سرعت برای نسلهای آینده را داد .گرافن این قابلیت را دارد که مانند حسگرها (سنسورها) مورد استفاده قرار گیرد. و یا مانند داربستی برای ترمیم بافتها عمل کند. اما تحقیقات در این زمینه هنوز در مراحل نخستین خود به سر می برد. و این مسئله تا اندازهای به این دلیل است که تولید مقادیر بالای گرافن بسیار مشکل است.
در حال حاضر دو گروه تحقیقاتی بر روی روشهای ساخت نوارهای گرافن با پهنایی بین چند نانومتر تا 100 نانومتر کار میکنند. پهنای گرافن به این دلیل اهمیت دارد که شکل لبه های نوار بر روی هدایت گرافن تاثیر می گذارد. نوارهای باریک با پهنایی در حدود 10 نانومتر ،حرکت الکترونها را محدود کرده و شبیه به نیمه هادی ها عمل میکند. و نوارهای پهن تر مانند هادی های فلزی عمل میکنند. با این حال شروع هر دو روش با استفاده از نانو لوله های کربنی بوده که آنها را بازکرده وبه شکل نوارهای صاف گرافن در می آورند.
روش اول،این روش توسط جیمز تور و همکارانش در دانشگاه Rice در هوستون) Houston) به وجود آمده،در این روش نانوتیوپهای کربنی با اسید سولفوریک غلیظ و عامل اکسیدکننده پر منگنات پتاسیم آغشته میشود. سپس به آنها گرمایی بین 55 تا 70 درجه سانتیگراد داده میشود. طی این فرآیند حفره ای در نانولوله ها ایجاد شده و سپس بزرگ شده ،نانو لوله را به شکل نواری باز میکنند.
جیمز تور پروفسور شیمی،مواد و علوم کامپیوتر bulk chemistry) ) در این باره می گویند:تحت شرایط اکسید کنندگی اسیدی این طور به نظر میرسد که در مقیاس وسیعی نانو لوله ها در امتداد طولی به صورت خطی بریده می شوند.
برای بعضی مقاصد، مانند ساخت مواد انحلال پذیر در آب، نتایج حاصل از اکسید گرافن ممکن است مطلوب باشد.اما اگر محققین بخواهند اکسید وجود نداشته باشد روشهای ساده مثل آغشته کردن نوارها با هیدروژن یا آنیلینگ گرافن تحت هیدروژن (گرم نمودن سپس سرد کردن آن )نیز وجود دارد.پهنای نوارها به قطر نانو تیوپهای فرآیند بستگی دارد. به طوریکه با نانو تیوپهای چند دیواره که شامل 15 تا 20 استوانه هم مرکز و قطری حدود 40 تا 80 نانومتر هستند، چندین لایه نوار با پهنایی بین 100 تا 250 نانو متر و طول 40 میکرو متر ساخته شده است.
برای به دست آوردن نوارهای باریکتر نیمه هادی ،تیم پروفسور تور استفاده از نانوتیوپهای تک دیواره را شروع کردند. اما متوجه شدند نوارهای حاصل بسیار گره دار و غیر قابل استفاده است و طبق گفته پروفسور تور :آنها مانند ماکارانی،رشته ای بودند. با این وجود از زمان ارائه این تحقیق که به تازگی در NATUREمنتشر شد،تیم او روشهایی برای مقابله با این اثر به دست آورده است از جمله اضافه کردن یک پوشش نازک از مواد فعال در سطح (surfactant)و به این ترتیب قسمتی از مشکل حل شده است.
نوارهای گرافن که تیم دانشگاه Riceتولید کردند،برای هادی ها و نیمه هادی های لایه نازک مناسب است و میتواند به عنوان جانشینی ارزان برای تولید سیلیکن تک کریستال ،درون پیل های خورشیدی(photo voltaics)مورد استفاده قرار گیرد. همچنین نوارها میتوانند درون کریستال مایع ساخته شده و سپس از میان سوراخی بیرون کشیده شوند و به این ترتیب به عنوان سیم سبک مورد استفاده قرار گیرند. اما پروفسور تور میگوید به دلیل ساده نبودن این روش در قرار دادن دقیق تک نوار گرافن بر روی زیر لایه،روش دانشگاه Riceکمک زیادی به ساخت قطعات مجزای بیشتر (discrete devices)نمیکند.
در استنفورد یک تیم به رهبری شیمیدانی به نام Hongjie dai نانو لوله های چند دیواره را بر روی زیر لایه سیلیکن قرار داد و با استفاده از پلیمر آن را پوشاند و خشک کرد. زمانی که تیم ،پلیمر بدون سیلیکن را جدا کرد. پلیمر، با نانو لوله های قرار گرفته در داخل آن جدا شده و سپس مواد در معرض پلاسمای گاز آرگون 10 وات قرار گرفتند ،بعد از 10 ثانیه پرتو دهی حدود 20 درصد از نانو لوله ها به نوارهای گرافن با پهنای حدود 20 تا 40 نانومتر تبدیل شد.. که البته اگر نانولوله ها در پلیمر بیشتری فرو برده شوند با افزایش پرنودهی، تعداد بیشتری باز خواهند شد. در مرحله بعد پلیمر اطراف نوارها حل میشود و فقط نوارها ی گرافن باقی می ماند.
در حالی که روش Rice بر روی نانولوله های کربنی به خوبی کار می کرد در عین حال وابستگی به سطح بالای عیوب داشت . روش استنفورد با نانو لوله هایی که بسیار بلورین بودند بهتر کار می کرد و لبه های صاف و عیوب کمی ایجاد می کرد که برای بهینه کردن مشخصات هدایت نوارها مهم است.
تحقیقات در مراحل نخست به سر می برد وبرای به دست آوردن کنترل بهتر بر پهنا ، لبه ی الگوی نوارها وکنترل بیشتر بر روی سایز و هم شکل بودن نانو لوله ها ی کربنی بر طبق نظر Max Lemme به کار بیشتری نیاز است.
تحقیقاتی در Humboldt در مرکز سیستمهای نانو مقیاس در دانشگاه هاروارد در جریان است که بر روی ساخت ترانزیستورهای از گرافن کار میشود. Max lemme میگوید:دو روش نتایج شگفت انگیزی دارند که باعث درک بهتر خواص الکترونیکی نانو نوارهای گرافنی خواهد شد. اما آنها را نمیتوان به عنوان روشی برای رسوب گرافن در صنعت نیمه هادی های کلاسیک ، دانست. و این ،هدف نهایی تحقیق است.
Researchers Unzip Carbon Nanotubes to Make Ribbons of Graphene By Neil Savage
First Published April 2009
A new route to the narrow graphene ribbons needed in electronics
16 April 2009—Graphene, a one-atom-thick sheet of carbon with remarkable electrical properties, shows promise for future generations of high-speed transistors. It may have uses as diverse as the production of sensors or as scaffolding for tissue regeneration. But research is still in the early stages, in part because it’s so difficult to produce large quantities of graphene.
Now two research groups are reporting ways to make graphene ribbons, ranging in width from a few nanometers to a few hundred nanometers. The width matters because it, along with the shape of the edges of the ribbons, affects the conductivity of the graphene; ribbons narrower than about 10 nm confine the movement of electrons and act as semiconductors, while wider ribbons act as metallic conductors. Both methods start with carbon nanotubes and “unzip” them to form flat ribbons of graphene.
One method, developed by James Tour and fellow chemists at Rice University, in Houston, treated the carbon nanotubes with concentrated sulfuric acid and the oxidizing agent potassium permanganate, then heated them to between 55 °C and 70 °C. The process created a hole in the nanotube, which then expanded, unzipping the tube to form a ribbon. “Under the acidic oxidation conditions, the tubes seem to cut, in large part, along the linear longitudinal direction,” says Tour, a professor of chemistry, materials science, and computer science. “It’s easy bulk chemistry.”
For some purposes, such as making a material that’s water soluble, the resulting graphene oxide may be desirable, Tour says. But if the researchers want to get rid of the oxide, there are simple methods, such as treating the ribbons with hydrazine or annealing the graphene under hydrogen. The width of the ribbons depends on the diameter of the nanotubes that go into the process. With multiwalled nanotubes made up of 15 to 20 concentric cylinders, and with diameters ranging from about 40 to 80 nm, the researchers produced several layers of ribbons ranging from about 100 to 250 nm in width and about 4 micrometers long.
To get narrower semiconducting ribbons, the team tried starting with single-wall carbon nanotubes but found the resulting ribbons were too entangled to be of any use. “They were like noodles,” Tour says. However, since submitting the research—which was published this week in Nature—the team has been developing methods to counter that effect, such as adding a thin coating of a surfactant. “We solved part of the problem already,” Tour says.
The type of graphene ribbon the Rice team produced would be appropriate for conductive or semiconducting thin films and could prove to be a cheaper substitute for monocrystalline silicon in photovoltaics. The ribbons could also be made into liquid crystals and extruded through a pore to produce lightweight wires. But because there’s no easy way to accurately place a single ribbon of graphene on a substrate, the Rice method will be of little help in making most discrete devices, Tour says.
At Stanford, a team led by chemist Hongjie Dai placed multiwalled carbon nanotubes on a silicon substrate, then coated them with a polymer and baked them. When the team peeled the polymer off the silicon, it came away with the nanotubes embedded within it. The team then exposed the material to a 10-watt argon plasma. Ten seconds of exposure converted about 20 percent of the nanotubes into graphene ribbons, ranging in width from about 20 to 40 nm. Longer exposures cut more nanotubes, which were embedded deeper in the polymer. The researchers then dissolved away the polymer, leaving only the ribbons.
While the Rice method worked well on cheaper nanotubes that already had a relatively high level of defects, the Stanford method was better with highly crystalline nanotubes. The Stanford method also produced few defects and clean edges, important for optimizing the conductive properties of the ribbons.
The research is still in the early stages, and more work is needed to gain better control of the widths and the edge patterns of the ribbons, which also entails having more control over the size and uniformity of carbon nanotubes, according to Max Lemme, a Humboldt Research Fellow at the Center for Nanoscale Systems at Harvard University, who is working on making transistors from graphene. He wonders how applicable to actual semiconductor manufacturing the work will be. “The two methods are exciting research results that will lead to better understanding of [graphene nanoribbon] electronics, but I don’t really see them as the grail in the quest for a graphene deposition method relevant to the classic semiconductor industry,” Lemme says.
