La imagen de la derecha muestra una lámina de grafeno cubierta con cera durante el paso de transferencia de sustrato. Este método redujo drásticamente las arrugas en la superficie del grafeno en comparación con un recubrimiento de polímero tradicional (izquierda).

Los investigadores del MIT han utilizado un material cotidiano, la cera, para proteger el grafeno de arrugas y contaminantes que afectan el rendimiento. Eliminar el grafeno del sustrato en el que se cultiva y transferirlo a un nuevo sustrato es conocido por ser un desafío. Los métodos tradicionales encierran el grafeno en un polímero que protege contra la rotura, pero también introduce defectos y partículas en la superficie del grafeno. Estos interrumpen el flujo eléctrico y sofocan el rendimiento.

a) Esquemas que muestran el proceso de transferencia de grafeno asistido con parafina. b) Esquemas que muestran el efecto de la expansión térmica de la parafina sobre la arruga del grafeno. c) Una película de grafeno soportada en parafina típica flotaba en agua a diferentes temperaturas

El equipo del MIT describe una técnica de fabricación que aplica un recubrimiento de cera a una lámina de grafeno y la calienta. El calor hace que la cera se expanda, lo que suaviza el grafeno para reducir las arrugas. Además, el recubrimiento se puede lavar sin dejar mucho residuo.

En experimentos, el grafeno recubierto de cera de los investigadores supuestamente se desempeñó cuatro veces mejor que el grafeno hecho con una capa protectora de polímero tradicional. El rendimiento, en este caso, se mide en “movilidad de electrones”, es decir, la rapidez con que los electrones se mueven a través de la superficie de un material, lo que se ve impedido por los defectos de la superficie.

“Al igual que encerar un piso, puede hacer el mismo tipo de recubrimiento sobre grafeno de gran área y usarlo como capa para recoger el grafeno de un sustrato de crecimiento metálico y transferirlo a cualquier sustrato deseado”, dice el primer autor Wei Sun Leong, un postdoctorado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS). “Esta tecnología es muy útil, ya que resuelve dos problemas simultáneamente: las arrugas y los residuos de polímeros”.

El coautor, Haozhe Wang, un estudiante de doctorado en EECS, dice que el uso de la cera puede parecer una solución natural, pero implicó un pensamiento bastante original: “Como estudiantes, nos limitamos a los materiales sofisticados disponibles en el laboratorio. En cambio, en este trabajo, elegimos un material que se usa comúnmente en nuestra vida diaria”.

Para cultivar grafeno en grandes áreas, el material 2D se cultiva típicamente en un sustrato de cobre comercial. Luego, está protegido por una capa de polímero “sacrificial”, típicamente polimetacrilato de metilo (PMMA). El grafeno recubierto con PMMA se coloca en una cuba de solución ácida hasta que el cobre se va completamente. El PMMA-grafeno restante se enjuaga con agua, luego se seca, y la capa de PMMA se retira finalmente.

Las arrugas ocurren cuando el agua queda atrapada entre el grafeno y el sustrato de destino, lo que PMMA no evita. Además, la PMMA comprende cadenas complejas de átomos de oxígeno, carbono e hidrógeno que forman enlaces fuertes con átomos de grafeno. Esto deja partículas en la superficie cuando se elimina.

Los investigadores han intentado modificar el PMMA y otros polímeros para ayudar a reducir las arrugas y los residuos, pero con un éxito mínimo. Los investigadores del MIT en su lugar buscaron materiales completamente nuevos, incluso una vez que probaron un envoltorio comercial sin éxito.

Después de analizar diversos materiales, los investigadores tuvieron la idea de la parafina, la cera translúcida común que se utiliza para velas, abrillantadores y recubrimientos impermeables, entre otras aplicaciones.

En las simulaciones antes de la prueba, el equipo no encontró reacciones conocidas entre la parafina y el grafeno. Eso es debido a la estructura química muy simple de la parafina. “La cera era tan perfecta para esta capa de sacrificio. “Es solo cadenas simples de carbono e hidrógeno con baja reactividad, en comparación con la compleja estructura química de PMMA que se une al grafeno”, dice el equipo.

En esta nueva técnica, los investigadores primero fundieron pequeños trozos de parafina en un horno. Luego, utilizando una máquina de microfabricación que utiliza una máquina de microfabricación que utiliza una fuerza centrífuga para extender uniformemente el material a través de un sustrato, la solución de parafina se vertió en una lámina de grafeno cultivada en una lámina de cobre. Esto extendió la parafina en una capa protectora, de aproximadamente 20 micrones de espesor, a través del grafeno.

Los investigadores transfirieron el grafeno recubierto de parafina a una solución que elimina la lámina de cobre. Luego, el grafeno revestido se reubicó en una cuba de agua tradicional, que se calentó a aproximadamente 40 grados centígrados. Utilizaron un sustrato de destino de silicona para recoger el grafeno de abajo y hornearlo en un horno a la misma temperatura.

Como la parafina tiene un alto coeficiente de expansión térmica, se expande bastante cuando se calienta. Bajo este aumento de calor, la parafina se expande y estira el grafeno adjunto por debajo, reduciendo efectivamente las arrugas. Finalmente, los investigadores utilizaron una solución diferente para eliminar la parafina, dejando una monocapa de grafeno en el sustrato de destino.

En su artículo, los investigadores muestran imágenes microscópicas de un área pequeña del grafeno recubierto con parafina y PMMA. El grafeno recubierto de parafina está casi completamente libre de defectos, mientras que el grafeno recubierto con PMMA parece bastante dañado.

La imagen de b muestra una lámina de grafeno cubierta con cera durante el paso de transferencia de sustrato. Este método redujo drásticamente las arrugas en la superficie del grafeno en comparación con un recubrimiento de polímero tradicional (a).

Debido a que el recubrimiento de cera ya es común en muchas aplicaciones de fabricación, como aplicar un recubrimiento impermeable a un material, los investigadores creen que su método podría adaptarse fácilmente a los procesos de fabricación del mundo real. En particular, el aumento de la temperatura para fundir la cera no debería afectar los costos de fabricación ni la eficiencia, y la fuente de calefacción podría ser reemplazada en el futuro por una luz, según los investigadores.

A continuación, los investigadores pretenden minimizar aún más las arrugas y contaminantes que quedan en el grafeno y escalar el sistema a hojas más grandes de grafeno. También están trabajando en la aplicación de la técnica de transferencia a los procesos de fabricación de otros materiales 2-D.

Via: https://www.nature.com/articles/s41467-019-08813-x/figures/4