Forscher erstellen einen sehr kleinen Sensor mit "weißem Graphen"

Anonim

Forscher der TU Delft in den Niederlanden haben in Zusammenarbeit mit einem Team der University of Cambridge (UK) einen Weg gefunden, winzige mechanische Sensoren skalierbar zu erzeugen und zu reinigen. Sie erzeugten diese Sensoren, indem sie eine zweidimensionale Schicht aus hexagonalem Bornitrid (h-BN) oder "weißem Graphen" über kleinen Löchern in einem Siliziumsubstrat aufhängten. Diese Innovation könnte zu extrem kleinen Gas- und Drucksensoren für zukünftige Elektronik führen.

Hexagonales Bornitrid (h-BN) ist ein interessantes Material mit einer dem Graphit ähnlichen Wabenstruktur. Aber während Graphit Elektrizität leitet, fungiert h-BN als Isolator. Diese Eigenschaft macht h-BN als High-End-Schmiermittel besonders in industriellen Anwendungen beliebt, in denen elektrische Leitfähigkeit unerwünscht ist. Da h-BN den zusätzlichen Vorteil hat, chemisch und thermisch stabiler als Graphit zu sein, wird es auch in rauen Umgebungen, wie zum Beispiel im Weltraum, beispielsweise in Anwendungen im tiefen Ultraviolett, verwendet.

Klebriges Zeug

Während Schichten des zweidimensionalen Materials Graphen mit Klebeband von Graphit abgelöst werden können, ist das Erzeugen einzelner Schichten von h-BN viel schwieriger. Der Grund dafür ist, dass die Schichten, aus denen sich h-BN zusammensetzt - und andere Materialien - viel stärker aneinander haften als Schichten aus Graphen. So konnten bisher nicht viele Forscher die Eigenschaften von h-BN als 2D-Material untersuchen. "Es gibt nur zwei oder drei Institutionen auf der Welt, die einzelne, zweidimensionale Schichten aus weißem Graphit herstellen können, und die Universität von Cambridge ist eine davon", sagte der Hauptautor Santiago J. Cartamil-Bueno. "Dieses Projekt ist ein Erfolg dank unserer effektiven Zusammenarbeit mit ihnen."

Mit Hilfe einer Technik namens "Chemical Vapor Deposition" haben Forscher der Universität Cambridge eine einatomige Platte aus h-BN oder "weißem Graphen" auf ein Stück Eisenfolie geklebt und an die TU Delft in den Niederlanden geschickt Dort übertrugen die Delfter Forscher die Folie aus transparentem weißem Graphen auf ein Siliziumsubstrat mit winzigen kreisförmigen Hohlräumen und erzeugten dabei mikroskopisch kleine "Trommeln". Diese Trommeln fungieren als mechanische Resonatoren und könnten als infinitesimale Gas- oder Drucksensoren zum Beispiel in Mobiltelefonen verwendet werden.

Reinigen der Trommeln

Während das Erstellen der H-BN-Trommeln eine große Herausforderung für sich war, stellte dieses Projekt eine weitere, noch größere Herausforderung dar. Als Ergebnis der Schritte, die zur Übertragung der monoatomaren Schicht auf das Siliziumsubstrat erforderlich waren, waren die Trommeln mit einer Anzahl von Polymeren verunreinigt. Häufige Verunreinigungen wie diese sind unerwünscht, da sie die Eigenschaften der Sensoren verändern. Das Ergebnis ist, dass sich alle Sensoren etwas anders verhalten können. "Um jedoch die normalen Sensoren auf dem Markt zu übertreffen, ist es wichtig, dass sich alle 2-D-Sensoren genau gleich verhalten", erklärt Cartamil-Bueno.

Die Delfter Forscher fanden eine Lösung: Mit Ozongas gelang es ihnen, die Fässer zu reinigen. Das aggressive Gas entfernte alle organischen Polymere. Spuren von PMMA, einem Polymer mit anorganischen Komponenten, blieben jedoch auf den Resonatoren zurück. "Glücklicherweise kann dieses Problem gelöst werden, indem nur organische Substrate verwendet werden, während das Blatt aus weißem Graphit auf die Hohlräume übertragen wird", sagt Cartamil-Bueno. So haben die Delfter Forscher einen prinzipiellen Nachweis für die Herstellung unglaublich kleiner Sensoren für die zukünftige Elektronik erbracht.

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