Det er sjældent, at genbrugsmaterialer fungerer bedre end nye, men det er tilfældet med en nyudviklet metode til dyrkning af grafen, hvor der anvendes en kobberkatalysator. Når katalysatorens kobberfilm genanvendes til at dyrke mere grafen, opnås der en gradvis forbedring af den producerede grafens egenskaber. Det er vigtigt for at kunne fremstille fladskærme og touchskærme bæredygtigt.
Af Tim Booth og Pernille Broen Larsen
Vi er omgivet af fladskærme og touchskærme – de er på vores skriveborde, i vores tasker og i vores lommer – og efterspørgslen efter disse enheder er stigende. De indeholder alle et materiale, der er både gennemsigtig og ledende – typisk indiumtinoxid. Indholdet af indium, der bruges til at fremstille disse materialer, i jordskorpen er kun 0,25 ppm (og det bliver sjældnere og sjældnere), og det er ikke muligt at følge med efterspørgslen.
Grafen er et kulstofbaseret alternativ med en tykkelse på blot et enkelt atomlag, men materialet er stærkt ledende og har en gennemsigtighed på 97,7 %. Det er måske fremtidens gennemsigtige leder, men kun hvis vi kan fremstille tilstrækkelige mængder - og billigt.
Bæredygtig dyrkning af grafen
I dag kan der fremstilles store arealer af grafen ved lede kulstofholdige gasser såsom methan og acetylen over varme metalkatalysatoroverflader, hvilket fører til dannelse af et enkelt lag grafen. Denne proces kaldes kemisk dampaflejring. Kvaliteten af den fremstillede grafen afhænger i høj grad af metaloverfladens egenskaber, dvs. dens renhed, fladhed og temperatur.
Kobberfolie med en tykkelse på ca. 50 µm er det normale materialevalg til dyrkning af grafen. Når grafenen er dyrket, opløses og ødelægges kobberlaget typisk kemisk.
Lektor Tim Booth forklarer:
"Det har desuden vist sig, at hver gang kobberlaget genbruges, bliver dets overflade bedre – den bliver fladere og renere – så i dette tilfælde opnår vi en reel fordel ved at genbruge mindre materiale."
Tim Booth, lektor, DTU Nanotech
”Normalt betyder dette, at for hvert gram grafen, der fremstilles, opløses der mere end 2 kg kobber. Hertil kommer omkostningerne til fremstillingen og distributionen af kobber og til bortskaffelse af kobberforurenede affaldsvæsker, så det er indlysende, at dette ikke er en bæredygtig proces.”
Reducere, genbruge, genvinde - og forbedre?
Den mængde kobber, der kræves til fremstilling af grafen, kan reduceres på to måder: Enten kan vi bruge mindre kobber, eller også kan vi genbruge det. Forskere fra DTU Nanotech og samarbejdspartnere på DTU Danchip, DTU Energi, Columbia University USA og Aixtron Ltd, UK, har gjort begge dele. De har minimeret den mængde kobber, der kræves for at dyrke grafen, fra 50 µm tykke folielag til 100 nm tykke lag understøttet af siliciumskiver (selvom enhver plan overflade i princippet kan anvendes, så længe den kan modstå de høje temperaturer, der kræves under dyrkningen). Det betyder, at de startede med kun 0,2 % af den oprindeligt påkrævede mængde kobber.
De anvendte en ny elektrokemisk metode i en flydende elektrolyt til at overføre grafenen. Med denne metode trænger ilt fra atmosfæren opløst i en flydende elektrolyt ind mellem kobber- og grafenlaget i en proces, der svarer til korrosion af jern. Ved at anvende et reduktionspotentiale ændres den oxiderede kobberoverflade tilbage til kobber uden at opløse det, og samtidig frigøres grafenen. Dette fungerer godt, da grafen ikke sidder så godt fast på kobberoxid, og ved at reducere kobberoxiden opnås en mængdeformindskelse, som yderligere bidrager til at frigøre grafenen fra katalysatoroverfladen.
Når de grafenlag, der fremstilles med denne nye metode, anvendes til elektroniske enheder, har de bedre egenskaber end enheder, der fremstilles ved at opløse kobberet.
"Det har desuden vist sig, at hver gang kobberlaget genbruges, bliver dets overflade bedre – den bliver fladere og renere – så i dette tilfælde opnår vi en reel fordel ved at genbruge mindre materiale,"
siger Tim Booth.
Patenteret metode
Ved at reducere den mængde kobber, der skal til for at fremstille 1 gram grafen, fra 2 kg til i realiteten nul, er det blevet langt billigere og langt mere bæredygtigt at dyrke grafen. Den tid, der hidtil har skullet bruges på at rense og optimere kobberlaget ved varmebehandling, er blevet reduceret betydeligt, hvilket giver en energibesparelse. Endelig kræves der kun ugiftigt saltvand eller en anden simpel elektrolyt til at fjerne grafenen fra katalysatoren.
Den patenterede fremgangsmåde anvendes nu rutinemæssigt af forskerne, og den udgør en nøgleteknologi i EU FP7 Gladiator-projektet, hvor DTU Nanotech står i spidsen for aktiviteter inden for dyrkning af grafen på store arealer og overførsel af grafen, hvor formålet er at fremstille store, økologiske lysdioder i samarbejde med partnere fra hele Europa.
Teknologien kan også anvendes til at lave ”intelligent glas” til head-up-displays i bilforruder, vinduer, der kan gøres uigennemsigtige eller gennemsigtige eller med evnen til at vise information, gennemsigtige paneler, som kan oplyse et rum, samt andre anvendelsesmuligheder.
Dette arbejde er beskrevet i en artikel af F. Pizzocchero et al. i april 2015-udgaven af Carbon, doi:10.1016/j.carbon.2014.12.061
Følg med i DTU Nanotechs forskning i nyhedsbrevet Samples.