O novo processo de fabricação, desenvolvido no MIT e deve ser relativamente fa¡cil de expandir para a produção industrial, envolve uma camada intermedia¡ria de "buffer" de material, essencial para o sucesso da técnica. O buffer permite que a folha de grafeno ultrafino, com menos de um nana´metro (bilionanãsimo de metro) de espessura, seja facilmente removida de seu substrato, permitindo uma fabricação rápida de rolo a rolo.

O processo estãodetalhado em um artigo publicado ontem em Advanced Functional Materials, pelos pa³s-docs do MIT Giovanni Azzellino e Mahdi Tavakoli; professores Jing Kong, Tomas Palacios e Markus Buehler; e outros cinco no MIT.

Encontrar uma maneira de fabricar eletrodos finos, transparentes e de grande área, esta¡veis ​​ao ar livre tem sido uma grande busca na eletra´nica de filmes finos nos últimos anos, para uma variedade de aplicações em dispositivos optoeletra´nicos - coisas que emitem luz, como o computador e telas de smartphones, ou colhaª-las, como células solares. O padrãoatual para tais aplicações éo a³xido de a­ndio e estanho (ITO), um material baseado em elementos químicos raros e caros.

Muitos grupos de pesquisa trabalharam para encontrar um substituto para a ITO, concentrando-se em materiais candidatos orga¢nicos e inorga¢nicos. O grafeno, uma forma de carbono puro cujos a¡tomos são dispostos em uma matriz hexagonal plana, possui propriedades elanãtricas e meca¢nicas extremamente boas, mas éextremamente fino, fisicamente flexa­vel e feito de um material abundante e barato. Além disso, ele pode ser facilmente cultivado na forma de grandes folhas por deposição de vapor qua­mico (CVD), usando cobre como camada de semente, como o grupo de Kong demonstrou. No entanto, para aplicações em dispositivos, a parte mais complicada foi encontrar maneiras de liberar o grafeno produzido por CVD de seu substrato de cobre nativo.

Essa versão, conhecida como processo de transferaªncia de grafeno, tende a resultar em uma rede de la¡grimas, rugas e defeitos nas folhas, o que interrompe a continuidade do filme e, portanto, reduz drasticamente sua condutividade elanãtrica. Mas com a nova tecnologia, diz Azzellino, “agora somos capazes de fabricar folhas de grafeno de grandes áreas com segurança, transferi-las para o substrato que quisermos, e a maneira como as transferimos não afeta as propriedades elanãtricas e meca¢nicas do grafeno primitivo. "

A chave éa camada tampa£o, feita de um material polimanãrico chamado parileno, que se adapta nonívelata´mico a s folhas de grafeno nas quais éimplantado. Como o grafeno, o parileno éproduzido pela CVD, o que simplifica o processo de fabricação e a escalabilidade.

Como demonstração dessa tecnologia, a equipe fez células solares a  prova de conceito, adotando um material de canãlula solar polimanãrica de pela­cula fina, juntamente com a camada de grafeno recanãm-formada para um dos dois eletrodos da canãlula e uma camada de parileno que também serve como um substrato do dispositivo. Eles mediram uma transmita¢ncia a³ptica próxima a 90% para o filme de grafeno sob luz visível.

A canãlula solar a  base de grafeno prototipada melhora em aproximadamente 36 vezes a energia fornecida por peso, em comparação com os dispositivos de última geração baseados em ITO. Ele também usa 1/200 da quantidade de material por unidade de área para o eletrodo transparente. E, háuma outra vantagem fundamental em comparação com a ITO: "O grafeno chega quase de graça", diz Azzellino.

"Os dispositivos ultraleves baseados em grafeno podem abrir caminho para uma nova geração de aplicativos", diz ele. “Então, se vocêpensa em dispositivos porta¡teis, a potaªncia por peso se torna uma figura de manãrito muito importante. E se pudanãssemos implantar uma canãlula solar transparente em seu tablet capaz de ligar o pra³prio tablet? ” Embora algum desenvolvimento adicional seja necessa¡rio, esses aplicativos devem ser via¡veis ​​com esse novo manãtodo, diz ele.

O material tampa£o, parileno, éamplamente utilizado na indústria de microeletra´nica, geralmente para encapsular e proteger dispositivos eletra´nicos. Portanto, as cadeias de suprimentos e equipamentos para o uso do material já estãodisseminados, diz Azzellino. Dos três tipos existentes de parileno, os testes da equipe mostraram que um deles, que contanãm mais a¡tomos de cloro, era de longe o mais eficaz para essa aplicação.

A proximidade atômica do parileno rico em cloro com o grafeno subjacente a  medida que as camadas são ensanduichadas fornece uma vantagem adicional, oferecendo uma espanãcie de "doping" para o grafeno, finalmente fornecendo uma abordagem mais confia¡vel e não destrutiva para a melhoria da condutividade do grafeno de grande área , ao contra¡rio de muitos outros que foram testados e relatados atéo momento.

"O grafeno e os filmes de parileno estãosempre cara a cara", diz Azzellino. "Então, basicamente, a ação antidoping estãosempre presente e, portanto, a vantagem épermanente."

A equipe de pesquisa também incluiu Marek Hempel, Ang-Yu Lu, Francisco Martin-Martinez, Jiayuan Zhao e Jingjie Yeo, todos no MIT. O trabalho foi apoiado pela Eni SpA por meio da Iniciativa MIT Energy, pelo Escrita³rio de Pesquisa do Exanãrcito dos EUA atravanãs do Instituto de Nanotecnologias de Soldados e pelo Escrita³rio de Pesquisa Naval.