Grafen technologia produkcji i perspektywy zastosowań

HTML
DOWNLOAD

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Grafen technologia produkcji i perspektywy zastosowań"

Lech Lis
8 lat temu
Przeglądów:

1 Grafen technologia produkcji i perspektywy zastosowań Włodzimierz Strupiński Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych / EPI-LAB Sp. z o.o. 1

2 2

3 Exfoliated Graphene 2004r. K.Novoselov, A.Geim Manchester Univ. Epitaxial Graphene 2004r. C.Berger et al. Atlanta, Georgia Inst.Tech. Flake sizes < 2000 μm 2

4 FORMY WĘGLA -pierwszy 2D kryształ (Novoselow et al, Nature 2005); -najcieńszy obiekt kiedykolwiek otrzymany; -najwyższa wytrzymałość (Lee et al., Science 2008); -nośniki ładunku bezmasowe fermiony Diraca (Novoselow et al, Nature 2005); -b.wysoka przewodność elektryczna (Meric et al., Nature Nanotech. 2008); -b.wysoka przewodność termiczna (Balandin et al., Nano Letters 2008); -b.elastyczny; -nieprzepuszcalny dla żadnych molekuł (Bunch et al., Science 2007); -itd

Struktura grafenu Struktura powłoki elektronowej

77 Å W płaszczyźnie xy wiązania sp 2 sp 2 typu s

5 Struktura grafenu Struktura powłoki elektronowej atomu węgla w stanie podstawowym: 1s 2 2s 2 2p 2 hybrydyzacja sp2 a= 2.46 Å R= 1.42 Å R=1.54 Å - w diamencie Promień atomowy= 0.77 Å W płaszczyźnie xy wiązania sp 2 sp 2 typu s Prostopadle do płaszczyzny xy rezonansowe wiązania p z p z typu p

6 EXFOLIATED GRAPHENE m= cm 2 /Vs 300K m= cm 2 /Vs 4K 6

7 TECHNOLOGIA W ITME - GRAFEN EPITAKSJALNY NA SiC Podłoże SiC ( )R30 Polarność Si i C SiC SUBSTRATE Polityp 4H, 6H

8 KRYSZTAŁ WĘGLIKA KRZEMU

9 Metoda sublimacji (parowania) krzemu z SiC T=1600 o C

10 10

11 WZROST EPITAKSJALNY? PROBLEM SUBLIMACJA Si C 3 H 8 Ar Ar ºC mbar SiC SUBSTRATE

12 EPITAKSJA GRAFENU W LAMINARNYM STRUMIENIU ARGONU

13 Epitaksjalny Grafen - metoda epitaksji CVD High Resolution Transmission Electron Microscope (HR TEM) Piotr Dłużewski IF PAN Warszawa

14 Urządzenie w ITME: Hot-wall reactor Epigress V508 minimalne ciśnienie 10-6 mbar maksymalna temperatura 1650C 14

15 Wzrost na podłożach metalicznych C 3 H 8 Ar Ar ºC mbar Cu lub Ni SUBSTRATE

16 Możliwość przenoszenia grafenu z podłoża metalicznego

17 Doniesienia nt zastosowań Ekrany dotykowe (30 ) Folia Cu

19 4 cm GRAFEN 19

21 Grafen na Cu Nature Materials, Qingkai Yu, 2011 DOI: /NMAT3010 Raman

1859 Brodie utlenianie grafitu w KClO 3 + HNO 3 C 2.19 H 0.80 O 1.

23 1859 Brodie utlenianie grafitu w KClO 3 + HNO 3 C 2.19 H 0.80 O Hummers & Offeman - utlenianie w KMNO 4 + H 2 SO 4 Eksfoliacja tlenku grafitu do tlenku grafenu (GO) ultradźwięki lub chemia Redukcja np. hydrazyna do monowarstwowych płatków grafenu 23

24 Modyfikacje chemiczne grafenu - teflon Zastosowania medyczne baterie; superkondensatory atrament przewodzący; itp grafen jako następca Si kompozyty, membrany Zastosowania grafenu wysokie częstotliwości, optoelektronika; MEMS;sensory elastyczna elektronika

ELEKTRONIKA Ruchliwość elektronów: Krzem: 1 500 cm 2 /Vs w 300K

25 ELEKTRONIKA Ruchliwość elektronów: Krzem: cm 2 /Vs w 300K Grafen: cm 2 /Vs w 300K Tranzystor z izolowanego grafenu

26 Ważny kierunek - ELEKTRONIKA ANALOGOWA Ruchliwość nośników cm 2 /Vs 300K cm 2 /Vs 4K Graphene FET (GFET) for THz: High mobility and carrier velocity Excellent electrostatic control GFET frequency multipliers: High spectrum purity ~94% and low noise without filtering demonstrated at 40 MHz GFET mixers: GFET zero-volt RF detector RF DEVICES 26

27 IBM skonstruował pierwszy układ scalony w oparciu o tranzystor z grafenu A) Schemat ideowy układu mieszacza częstotliwości radiowej 10 GHz B) Schemat montażowy Publikacja : Yu-Ming Lin et al., Wafer-Scale Graphene Integrated Circuit 10 JUNE 2011 VOL 332 SCIENCE

Current (ma) R/R o (%) Detektor wodoru (Univ. of Florida) 1.55 1.50 1.45 1.

30 0 700 1400 2100 2800 3500 4200 Time (s) N 2 N 2 0-10 -20 y = -[0.

132(1-e -t/27.7 )] -30-40 -50-60 -70 y = -[0.143(1-e -t/2130 ) + 0.

28 Current (ma) R/R o (%) Detektor wodoru (Univ. of Florida) N 2 1% H 2 N V 175 o C 1% H 2 1% H Time (s) N 2 N y = -[0.004(1-e -t/344 ) (1-e -t/20.1 )] y = -[0.091(1-e -t/1740 ) (1-e -t/27.7 )] y = -[0.143(1-e -t/2130 ) (1-e -t/58.4 )] Time (s) I = f (T) w (1%H 2 +99%N 2 ) przy stałym U= 0.05V

29 Doniesienia nt zastosowań Modulator światła (MIT, Berkeley Univ.) Porównanie wielkości modulatora konwencjonalnego z grafenowym (czerwona kropka)

Doniesienia nt zastosowań Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych Metal graphene metal (MGM) photodetectors with asymmetric metal contacts.

30 Doniesienia nt zastosowań Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych Metal graphene metal (MGM) photodetectors with asymmetric metal contacts. Thomas Mueller, Fengnian Xia & Phaedon Avouris, Nature Photonics 4, (2010) vertical-incidence metal graphene metal (MGM) photodetector external responsivity of 6.1 maw -1 at an operating wavelength of 1.55 mm

31 Supercapacitors. High surface area of chemical graphene make electrochemical supercapcitors possible(yan Wang et al. J.Phys.Chem.C 113,13103(2009))

32 Doniesienia nt zastosowań Conductive graphene ink VOR-INK SCREEN is specifically formulated for screen printing Graphene paper

33 Transparent conductive coatings -common electrodes -pixel electrodes -wiring in electronic products Requirements: Low sheet resistance High transmittance >90% Mechanical flexibility Chemical durability (Graphene: 30 Ω/sq.) (Graphene > 97.7% per layer) (Graphene : outstanding) (Graphene : outstanding) Touch screen displays: Ω/sq. / 90% Graphene - bendable and rollable devices E-paper (colour) future electronic product Bending radius: 10-5 mm, neutral colour electrode, contact resistance graphene/metal!!! OLEDs : work function & electrode surface s roughness Sheet resistance <30 Ω/sq ESD 33

34 Graphene: -suspended: n=2x10 11 cm -2, m= cm 2 /Vs -on h-bn: n=5x10 11 cm -2, m= cm 2 /Vs - R = 156 Ω/sq. - R = 89 Ω/sq. -CVD intercalated by H 2 : n=2x10 13 cm -2, m=4 000 cm 2 /Vs - R = 78 Ω/sq ITO<10 Ω/sq. Columbic scatters -charge impurities -substrate Short range scatters -point defects -adatom adsorption -wrinkles -??????????

35 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ

Podobne dokumenty

Grafen i jego własności

Grafen i jego własności Jacek Baranowski Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski W Polsce są duże pokłady węgla, niestety nie można ich przerobić na grafen,