Grafeno Inducido Por Láser Encogido Bajo El Ojo Del Microscopio Para Componentes Electrónicos Flexibles

Fabricación de grafeno inducido por láser

Los científicos registraron la formación de grafeno inducido por láser hecho con un pequeño láser montado en un microscopio electrónico de barrido. Crédito: Tour Group / Rice University

No necesita un gran láser para hacer grafeno (LIG). Los científicos de la Universidad de Rice, la Universidad de Tennessee, Knoxville (UT Knoxville) y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) están utilizando un rayo visible muy pequeño para quemar la forma espumosa de carbono en patrones microscópicos.

Los laboratorios del químico de Rice James Tour, que descubrió el método original para convertir un polímero común en grafeno en 2014, y el científico de materiales de Tennessee / ORNL, Philip Rack, revelaron que ahora pueden observar cómo se forma el material conductor mientras hace pequeños rastros de LIG en un escaneo. microscopio electrónico (SEM).

El proceso alterado, detallado en Materiales e interfaces aplicados ACS de la Sociedad Química Estadounidense, crea LIG con características más del 60% más pequeñas que la versión macro y casi 10 veces más pequeñas de lo que normalmente se logra con el láser infrarrojo anterior.

Los láseres de menor potencia también hacen que el proceso sea menos costoso, dijo Tour. Eso podría conducir a una producción comercial más amplia de sensores y electrónicos flexibles.

“Una clave para las aplicaciones de la electrónica es hacer estructuras más pequeñas para que uno pueda tener una densidad más alta o más dispositivos por unidad de área”, dijo Tour. “Este método nos permite hacer estructuras que son 10 veces más densas de lo que hacíamos anteriormente”.

Para probar el concepto, el laboratorio fabricó sensores de humedad flexibles que son invisibles a simple vista y fabricados directamente en poliimida, un polímero comercial. Los dispositivos pudieron detectar el aliento humano con un tiempo de respuesta de 250 milisegundos.

“Esto es mucho más rápido que la frecuencia de muestreo para la mayoría de los sensores de humedad comerciales y permite el monitoreo de cambios rápidos de humedad local que pueden ser causados ​​por la respiración”, dijo el autor principal del artículo, el investigador postdoctoral de Rice Michael Stanford.

Puntos y rastros de grafeno conductor

Los científicos de la Universidad de Rice y del Laboratorio Nacional de Oak Ridge utilizaron un pequeño láser montado en un microscopio electrónico de barrido para formar puntos y trazas de grafeno conductor en un polímero. La técnica crea grafeno inducido por láser con características más de un 60% más pequeñas que la versión macro y casi 10 veces más pequeñas de lo que normalmente se logra con un láser infrarrojo. Crédito: Tour Group / Rice University

Los láseres más pequeños bombean luz a una longitud de onda de 405 nanómetros, en la parte azul violeta del espectro. Estos son menos poderosos que los láseres industriales que el Tour Group y otros en todo el mundo están utilizando para quemar grafeno en plástico, papel, madera e incluso alimentos.

El láser montado en SEM quema solo las cinco micras superiores del polímero, escribiendo características de grafeno tan pequeñas como 12 micras. (Un cabello humano, en comparación, tiene de 30 a 100 micrones de ancho).

Trabajar directamente con ORNL permitió que Stanford capitalizara los equipos avanzados del laboratorio nacional. “Eso es lo que hizo posible este esfuerzo conjunto”, dijo Tour.

Dos rastros de grafeno inducido por láser

Una imagen de microscopio electrónico de barrido muestra dos rastros de grafeno inducido por láser en una película de poliimida. Se utilizó un láser montado en el microscopio para grabar los patrones en la película. La técnica se muestra prometedora para el desarrollo de electrónica flexible. Crédito: Tour Group / Rice University

“Hice mucho de mi doctorado. investigación en ORNL, así que estaba al tanto de las excelentes instalaciones y científicos y de cómo podrían ayudarnos con nuestro proyecto ”, dijo Stanford. “Las características LIG que estábamos creando eran tan pequeñas que hubieran sido casi imposibles de encontrar si hubiéramos grabado los patrones con láser y luego los buscáramos en el microscopio”.

Tour, cuyo grupo introdujo recientemente el grafeno flash para convertir instantáneamente la basura y los desperdicios de comida en un material valioso, dijo que el nuevo proceso LIG ofrece un nuevo camino hacia la escritura de circuitos electrónicos en sustratos flexibles como la ropa.

“Si bien el proceso flash producirá toneladas de grafeno, el proceso LIG permitirá que el grafeno se sintetice directamente para aplicaciones electrónicas precisas en superficies”, dijo Tour.

Referencia: “Grafeno inducido por láser de alta resolución. Flexible Electronics Beyond the Visible Limit ”por Michael G. Stanford, Cheng Zhang, Jason Davidson Fowlkes, Anna Hoffman, Ilia N. Ivanov, Philip D. Rack y James M. Tour, 10 de febrero de 2020, ACS Applied Materials & Interfaces .
DOI: 10.1021 / acsami.0c01377

Los coautores del artículo son el investigador postdoctoral Cheng Zhang y la estudiante de posgrado Anna Hoffman de UT Knoxville, la científica de investigación y desarrollo Ilia Ivanov del Laboratorio Nacional de Oak Ridge y el científico Jason Davidson Fowlkes de UT Knoxville y Oak Ridge.

Tour es la Cátedra TT y WF Chao en Química, así como profesor de ciencias de la computación y de ciencia de materiales y nanoingeniería en Rice. Rack es profesor y presidente Leonard G. Penland y director asociado del departamento de ciencia e ingeniería de materiales en UT Knoxville, así como personal conjunto en el Centro de Ciencias de Materiales Nanophase en Oak Ridge.

La Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y el Departamento de Energía de los Estados Unidos apoyaron la investigación.

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