Söz ve Graphene Ticarileştirmenin Şişen
Grafene'nin rekor kıran gücü, olağanüstü elektrik ve termal iletkenliği ve atomik incelik 21. yüzyılın en ince materyallerinden birini yaptı. Potansiyel uygulamaları yay esnek elektronik, yüksek performanslı bataryalar, süper kapasiteliler, şeffaf iletken iletken filmler, kompozit takviyeler ve biyo-sensorlar. Ancak neredeyse iki on yıl süren yoğun araştırmadan sonra, grafiksel, maliyet-aktif cam transfer ve integral cihazlara entegre edilen malzemeler, kritik bir şişe kalır. Güvenilir olmadan, düşük maliyetli yöntemler büyüme substratları - bakır veya nikel folyolar gibi yüzeyleri ortadan kaldırmak için - bu tür yüzeylerin büyük ölçüde etkisiz kalması veya integrali “gerçekten” olarak tutar.
Mevcut transfer süreçleri genellikle manuel, verim kaybı, kusurları ve kirleticileri sunmakta ve yüksek kalitede tutmak zor. Bu makale, en umut verici transfer ve entegrasyon teknikleri ile rekabet etmek için, ve sonunda grafiken ticari potansiyele sahip olabilecek araştırma yollarını araştırmak için tasarlanmıştır.
Graphene Transfer Challenge'ı Anlayın
Sürekli, yüksek kaliteli bir grafik filmi, büyüme substratından hedef substratına transfer etmek yanıltıcı derecede zor. Süreç iki boyutlu lattice'nin bütünlüğünü korumak, gözyaşları, kırışıklıkları ve çatlakları önlemek ve herhangi bir kalıntıları ortadan kaldırmak gerekir, vshants, polimerler veya çözücüler, ya da katın üç birincil tür defnedici geleneksel transfer kategori: mekanik hasar, kimyasal kirlenme ve interfacial kalıntıları.
Tanımlar ve Transferte Kirişme
Mekanik hasar, grafik dışı hedefin bozulması veya belirlenmesi sırasında ortaya çıkar. özellikle de yaygın olarak kullanılan poli(til methacryla) destek katmanından kaynaklanmaktadır, çünkü Wrinkling genellikle grafikten çıkarılmasında meydana gelir.(örneğin, taşıyıcıya, özellikle de istenmeyen yüklere karşı).
Konvansiyonel Yöntemlerde Maliyet Sürücüleri
En yaygın kullanılan yöntem – ammonium persulfate veya demir klorürdeki bakır katalizörün kimyasal etchingleri – önemli malzeme ve çevresel maliyetler. Etching süreci, makul olmayan bir kaynakla ilgili olarak, daha sonraki temizlik, rin Enstitüsü (T) tarafından yapılan bir çok sayıda test için daha fazla maliyetle bir araya gelir.
Doğrudan maliyetler ötesinde, kusurların verim kaybı ve transfer sonrası kalite denetimi için ihtiyaç duyulan maliyetler. Üreticiler genellikle elektrik veya optik özellikleri başarısız olan transfer grafiğin önemli porsiyonlarını atmalıdır. Bu kayıplar, ham işleme maliyetinden çok daha yüksek hale getirir. Bu nedenle, herhangi bir maliyet-maliyet stratejisi aynı anda verim ve azaltılmalıdır.
Maliyet-Effective Transfer Teknikleri'nde ilerlemeler
ıslak etching eksikliklerine yanıt olarak, araştırmacılar sürekli veya rulo-toplama işlemine izin veren kuru ve yarı-kuru transfer yöntemleri geliştirdiler.Bu teknikler malzeme tüketimini azaltmayı, daha düşük kusurların kesintilerini ve sürekli veya yuvarlanmasını sağlar.
Stamp-Assisted Transfer with Elastomers
Stamp-assisted transfer, yumuşak bir elastomerik pul kullanır, tipik olarak poliditilsiloxane (PDMS), büyümeden grafikten elde etmek ve sonra hedefe serbest bırakmak. Anahtar avantajı sıvı vshants ve PMMA'nın ortadan kaldırılması.
Son rafineriler damga transfer kalitesini dramatik bir şekilde artırdılar. PDMS'nin vitroskopik özelliklerini ayarlayarak, araştırmacılar çatlakları azaltıp 100 cm'yi aştılar)[DMS tabanlı bir transfer, 8 cm üzerinde taşımaya devam etti)[DMS-based transferler, 8,4][/V)[D D x|x|x|x|x|x|x|x|x|x|s x|x|s x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x
Roll-to-Roll Scalability için Transfer
Endüstriyel üretim için, roll-to-roll (R2R) süreçleri altın standarttır. R2R grafikene transferinde, sürekli bir grafik levhası, yapıştırıcı tabakaları (termal salıverme kaseti veya yeniden kullanılabilir polimer) kullanan bir dizi rulo ile beslenir, grafikte onu PET veya PEN gibi esnek bir substrata test eder.
İlk ticari R2R grafiken transfer sistemleri, Graphenea ve Samsung gibi şirketler tarafından geliştirildi, ancak erken iterasyonlar bantdan kırıldı ve kapanmak üzere eklenmiş olan 12/sq ve optik iletişim kurmak için daha fazla tasarım içeriyor.Bugün, R2R transferleri, birincil dokunmatik ekranlara kadar test edilebilir.
Estatik ve Diğer Kuru Yöntemler
Elektrostatik transfer, yüksek gerilimli pul puls veya sürekli bir elektrik alanı, bir çuval tabakası olmadan büyüme substratından ayrı bir grafikte kullanır.Bu yöntem normalde bir iletken metal folyo üzerinde büyür ve aynı metal folyo ile büyüme arasındaki bir gerilim uygularsa, elektrostatik güç, grafiksel külotun - metalik külotun kapanmasını veya grafikte açılan bir hedef substrata kadar salıverilmesini gerektirir.Bu yöntem hızlı, kimyasalları kullanır ve aynı metal folyodan tekrarlanabilir.
Bir başka ortaya çıkan teknik, “kayıp asansörü”, bir puld lazerin grafik aşamasına kadar şeffaf bir substratla yönlendirildiğini, grafikte bulunan grafikte popüne neden olabileceğini gösteriyor.Bu yaklaşım oldukça yerelleştirilmiş ve transfer sırasında grafen olarak kullanılabilir.
Substrate-Enabled Direct Büyüme
Nihai maliyet tasarrufu stratejisi, transfer adımını tamamen gelişmekte olan grafiklerle doğrudan hedef substratına kadar ortadan kaldırmaktır. Örneğin, kimyasal buhar ayrıştırma (CVD) grafenlerin yüzeylerdeki büyüme oranı genellikle daha yavaş ve taşıyıcılar gibi (telif, taşıyıcı veya h-BN), bakır bazlı CVD'nin gerisinde olduğu görülmüştür.
plazma-enhanced CVD (PECVD) ve metal-catalyst-free growth bu boşluğu daralttı. $ 2023 çalışmasına henüz ulaşıldı.Carbon)Carbon[D)[Düzg kaplamaları için doğrudan büyüme rapor etti ve daha fazla optimizasyon ile, doğrudan büyüme birçok maliyetle en düşük maliyetli rotaya ulaşabildi.
Cihaz Kumaşı için entegrasyon Stratejileri
Transfer sadece savaşın yarısıdır.Bir kez grafikte hedef substrat üzerinde, işlevsel cihazlara entegre edilmelidir - transistörler, elektrolar, interconnectler veya bariyer tabakaları - hem ölçeklenebilir hem de mevcut üretim hatlarıyla uyumlu olan süreçleri kapsar.Incapsulating, ve çok sayıda grafik tabakaları veya heteroyapıları.
Katmanı ve Heteroyapılar
Birçok uygulama tek bir grafik katmanından daha fazlasını gerektirir. Birden fazla grafiken katmanlar elektrik özelliklerini ayarlayabilir, daha güncel bir araç kapasitesi sağlar veya “artificial” Diraced malzemeler rotasyonel yanlışlık yoluyla sağlar (twisted bilayerlar). Fiyat-malzeme, tekrarlanan bir substrat üzerinde tekrarlanan bir büyüme birikiminden kaçınmalıdır.
Grafikleri diğer iki boyutlu malzemelerle birleştiren modeller (örneğin, MoS2, WS2, h-BN) ultra temiz arayüzler gerektirir. Araştırmacılar, “teşekküre-yer” süreçleri, tüm van der Waals toplantılarını alt-mikrometre çizgisiyle azaltmayı amaçlayan otomatik vizatörlük araçları kullanarak geliştirirler.
Hybrid CVD-Transfer Yaklaşımları
Hibrit süreçler doğrudan büyüme ve transfer arasındaki farkı bölünür. Örneğin, grafikene, hedef substrat üzerinde yeniden depolanmış olan ince bir bakır filmi üzerinde yetiştirilebilir.Daha sonra bakır sıcak baskı adımla, grafikten doğrudan yanar, bu da belirli maliyet / kalite ticareti için optimize edilebilir bir şekilde kullanılabilir.
Karakterizasyon ve Kalite Kontrol
Üretim hatlarına grafik çizilmesi, hızlı, tahrip edici kalite kontrolü gerektirir. Optik spektroskop (Raman haritalama), sayfa direnci haritalama ve atomik kuvvet mikroskobu (AFM) geleneksel olarak kullanılan, ancak doğrudan uygulama maliyeti ve hızlarını azaltmak için çok yavaştır.Inz-TDS) ve makine öğrenimi-zihinsel optik görüntü sınıflandırması, saniyeler içinde kareler arasındaki karedeki grafiksel üniformayı değerlendirebilir.
Endüstri Uygulamaları ve Ticari Prospects
Herhangi bir transfer tekniğinin uygulanabilirliği, performans gereksinimlerine ve son uygulamanın maliyetine bağlıdır. Üç umutlu sektör - esnek elektronik, enerji depolama ve kompozitler - farklı ticaret-offları hayal edin.
Esnek Elektronik Elektronik
Ekran görüntüleri, OLED aydınlatma ve esnek görüntüler düşük plaka direnci ile şeffaf bir şekilde film gerektirir ([Dönem:0). Roll-to-roll transfer grafiklerine PET'e zaten yaklaşıyor, ancak gümüş nanoteller, metal örgüler ve ITO'ya yaklaşan 10 / 4 inç daha fazla fiyat için mekanik esneklik ve potansiyele sahip olacaktır.
Enerji Depolama
Superkapors ve lityum-ion aküleri, grafikene yüksek sigortalı-area iletken katkı veya ücretsiz olarak elektrot üzerinde yapılan bir eksperatif yöntemlere odaklanır: geçiş süreci farklı: grafikte bir miktar (örneğin, yüksek çözünürlükte veya bakır folyolar) veya doğrudan dahil edilir. Maliyetli yöntemler, bu sektörden yapılan sürekli sprey kaplamalara odaklanır.
Kompozitler
Grafik nanotüplü polimerler mekanik güç, termal iletkenliği ve bariyer özelliklerini artırabilir. Kompozitler için, grafikten yararlanılan fiyat, karbon siyah veya cam elyaflarla rekabet etmek için 50 $ 'a düşmelidir. Low-cost üretim yöntemleri (erokimyasal exfoliation, hear exfoliation) ile birlikte grafik transferine ek olarak, CVD transferine ilişkin özel bir performans avantajı sağlar. Ancak, uyumlu grafiklere sahip uygulamalar için standarttır.
Future Research Path and Cooperation
Önemli ilerleme yapıldığında, şu anda tek transfer yöntemi tüm maliyet, kalite ve ölçeklenebilirlik gereksinimleri karşılamamaktadır. Future research is converging on several key topics.
Otomasyon ve Standartlaştırma
Kılavuz işleme maliyet azaltımının düşmanıdır. Optik uyum, geri bildirimli kontrol araçları, peeling ve in-line temizlik, verim artışı ve işgücü azaltabilir.Gerene endüstrisi transfer kalitesi için standart test protokollerinden yararlanacaktır (örneğin, hata yoğunluğu için ISO standartları, çarşaf direnci üniforması) cihaz üreticileri tarafından adil bir karşılaştırmaya izin vermek için.
Sürdürülebilir Transfer Media
Grafik transferin çevresel ayak izi giderek daha da incelenir. Future yöntemleri muhtemelen PMMA yerine su devretme veya biyodegrad edilebilir destek polimerleri kullanacak ve bakır folyoların yeniden kullanılması ( elektrokimyasal kurtarma veya termal salıverme yoluyla) standart hale gelecektir.
AI-Assisted Process Optimizasyon
Makine öğrenme modelleri, belirli bir pul-grafen-substrate kombinasyonu için en uygun soyunmayı tahmin edebilir.InÜye Erken çalışma:0)MIT (Bİ) İletişim, 2020)) tam olarak bağımsız, düşük devre dışı transfer için kullanılan sinir ağları, yüksek çözünürlükte bir alan için% 30 artış elde edebilir.
Maliyetli büyük ölçekli grafiklere ve entegrasyon yolunda, kuru transfer yenilikleri, doğrudan büyüme stratejileri ve en iyi şekilde yeniden kullanım sağlayan karma süreçleri, akademik gruplar arasında işbirliği, ulusal grafikleren fabrikalar ve endüstriyel ortaklar - bir sonraki beş ila on yıl içinde bu teknolojileri taşımak için gereklidir.