Superdun grafeen - Metaal Magazine

D O OR: MAART E N S WART
Superdun grafeen
enorm sterk
schuim, grafeen op koperfolie, op nikkelschuim,
op siliciumoxide, kunststoffen (PET, PMMA), glas
en kwarts. Ook zijn transfers beschikbaar waarmee een laagje grafeen aan te brengen is op
diverse andere materialen. Bij de CVD-methode
wordt grafeen opgebracht op metalen substraten bij hoge temperaturen. Koper- en nikkelsub-
g
straten worden toegepast om als katalysator te
t
dienen bij het ‘aangroeien’ van laagjes grafeen.
H
e
Toepassingen
a
Er kunnen bijzondere elektronische componen-
e
ten, zoals transistoren en halfgeleiders van gra-
w
feen worden gemaakt. Door de dunheid kan de
v
elektrische geleiding van het materiaal goed
g
worden geregeld. Het liefst zou je dat natuur-
b
lijk met metalen ook willen, maar die kunnen
e
niet zodanig dun worden gefabriceerd om hun
f
geleidbaarheid te kunnen instellen en regelen.
k
Transistoren van grafeen kunnen werken op
e
Onderzoek aan grafeen onder hoogvacuüm. Er is nog veel onderzoek nodig om grafeen rijp voor de markt te
veel hogere frequenties dan silicium transisto-
z
maken (foto: Georgia Tech)
ren die momenteel in gebruik zijn. Gehele IC’s
m
(geïntegreerde schakelingen) kunnen nog niet
D
uit grafeen worden gemaakt, omdat men een-
e
voudigweg grafeen nog niet groot genoeg kan
o
vervaardigen. De techniek staat nu nog in de
v
kinderschoenen, er wordt verwacht dat transis-
f
toren van grafeen stukken kleiner zullen wor-
d
Grafeen is een vorm van koolstof die bestaat uit een enkele laag ter dikte van één
atoom. Het grafeen is een enkele laag atomen die er uit ziet als kippengaas en
bestaat uit een platte honingraatstructuur. Het dunste materiaal tot nog toe en
den dan de huidige (silicium) transistors.
Binnen de elektronica gaat het om ‘flexibel,
één van de sterkste. Grafiet zou je kunnen zien als een stapel van deze lagen.
dun en buigbaar’. Met grafeen kunnen straks
OLED’s en hologrammen gemaakt worden en
ook intelligente vensters: LCD schermpjes die
Er wordt gesteld dat grafeen sterker is dan dia-
André Geim aan de Universiteit van Manches-
zowel mat-doorzichtig kunnen zijn als ook
mant, tweehonderd keer beter qua breek-
ter. Geim, van oorsprong Russisch, wordt ge-
tekst en beeld kunnen tonen indien geacti-
sterkte dan staal, elektriciteit beter geleidt dan
noemd als ontdekker van grafeen, rond 2003
veerd. Ook zeer flexibele en ook zeer gevoelige
koper en zelfs honderd keer beter dan silicium.
en is naast onderzoeker in Manchester ook
touchscreens voor mobiele en smarttelefoons
Gelet op warmtegeleiding zou grafeen alle ma-
gastprofessor aan de Universiteit van Nijmegen.
zijn maakbaar. Er zullen zeer kleine elektroni-
terialen overtreffen en daarbij ook nog even
Uitvoeringsvormen
capaciteiten komen, maar ook zeer snelle,
zelfs kunststof geleidend kunnen maken. Het is
Er zijn verschillende vormen waarin grafeen al
kleine en goedkope optische sensoren.
bijna geheel doorzichtig, maar tegelijkertijd
geleverd wordt: industriekwaliteit, enkellaags,
ook zo dicht dat heliumatomen er niet door-
carboxylgrafeen, grafeenoxide, nanopellets, na-
Hoge ladingen
heen kunnen. Aanvankelijk nog niet erg stabiel
nodeeltjes en grafeenfluoride. Door middel van
Grafeen vertoont een zeer hoge geleidbaarheid,
I
als materiaal, totdat het werd geïsoleerd door
chemisch opdampen (CVD) maakt men grafeen-
kan hoge energieladingen doorgeven, heeft een
M
20
20-21_Grafeen.indd 20
sche schakelingen en componenten met hoge
flexibel zijn als rubber. Toevoeging van 1% zou
jaargang 51 | www.metaalmagazine.nl | 4-2013
12-04-13 14:21
M A T E R I A L E N
geleiding maken toepassing mogelijk bij het ‘se-
Coating met dikte van één
atoom
quencen’ van DNA (het bepalen van de volg-
Er wordt ook al veel gesproken over na-
Grafeen is een razend sterk materiaal en daar-
nocoatings: isolatie, afstoting en gelei-
door kunnen objecten van micro- of nanofor-
ding komen daar aan de orde. Grafeen is
maat goed worden vastgehouden om bekeken
daarnaast bestand tegen zuren en logen
te worden door een elektronenmicroscoop.
als waterstoffluoride en ammoniak.
Vergelijkbaar met de manier waarop ‘gewone’
Mede door de ondoordringbaarheid
samples tussen glasplaatjes worden bekeken.
van de zeer dunne laag zou je dan in de
Door de dunheid van het grafeen zal het de
toekomst een laag kunnen verkrijgen ter
waarneming van het te onderzoeken object
dikte van een atoom, welke bescherming
niet beïnvloeden.
orde van de nucleotiden van een stuk DNA).
biedt tegen al deze middelen.
Nog veel onderzoek
Ondanks dat grafeen vele potentiële toepassin-
Erg lastig te hanteren
gen heeft is toch nog veel onderzoek nodig.
Grafeen moet qua oppervlakte-eigenschappen
nog stabieler gemaakt worden om eigenschap-
groot oppervlak per gewichtseenheid en is elek-
pen blijvend te kunnen garanderen. De kosten
trochemisch voor veel toepassingen geschikt.
zijn ook nog erg hoog. Grafeen van zeer hoge
Het materiaal is uitermate geschikt voor accu’s
kwaliteit kost momenteel ruim 1.000 euro per
en condensatoren. Door grafeen toe te voegen
mm². Oppervlaktes van 1 mm² kunnen worden
Voorbeeld van een flexibel, transparant en uiterst
aan het titaniumoxide van de elektroden van
verkregen. Mindere kwaliteit, via CVD ‘aange-
dun ‘touchscreen’ (foto’s: Samsung)
een batterij kunnen duurdere materialen die
groeide’ grafeen, wordt verkocht voor ruim 10
worden gebruikt in Li-Ion batterijen worden ver-
euro per cm², maar is voor hoogwaardige elek-
vangen. Daarnaast zou grafeen ook een vervan-
tronicatoepassingen ongeschikt. Het is ook ver-
komen in de interactie van grafeen met de ge-
ging kunnen zijn van koolstofadditieven in Li-Ion
krijgbaar in oplossingen voor ruim 500 euro per
bruikte elektrolyten. De geschiktheid voor zon-
batterijen. Ook organische zonnecellen lijken
mg. Door de ‘dikte’ is het materiaal erg lastig te
necellen moet verbeterd worden, de lichtab-
een goede mogelijkheid, vooralsnog in kleine
hanteren. Het materiaal moet bij toepassing
sorptie functioneert nog niet optimaal. Voor
formaten. Wanneer gasmoleculen in contact
steeds overgebracht worden van het ene sub-
het versterken van polymeermatrices moet de
komen met grafeen, kunnen de elektronische
straat naar het andere. Dat lukt nog niet goed
hechting van de grafeenvlokken worden verbe-
eigenschappen erg goed worden gemeten, zelfs
met behoud van kwaliteit. Voor elektronicatoe-
terd. Grafeen moet bij toepassing voor senso-
zodanig dat de aanwezigheid van een enkel gas-
passingen moet het ‘aangroeien’ op zogeheten
ren nog selectief gevoelig worden gemaakt
molecuul kan worden gedetecteerd.
‘wafers’ geschikt worden gemaakt. Dit voor
voor specifieke stoffen. We zijn er dus nog
Detectie van medicijnen en drugs, van slechts
standaardplaten van minimaal 12” doorsnee
(lang) niet. Het is nog niet te verwachten dat
enkele moleculen in het lichaam, voor veiligheid
om interessant te zijn voor de chipindustrie.
grafeen spoedig beschikbaar zal zijn voor veel
op vliegvelden is een andere toepassing. Denk
Voor transparante en geleidende films moet de
praktische en betaalbare toepassingen. De kans
verder aan inkt met chemische, biochemische of
lichtdoorlatendheid op elektronenniveau nog
dat die toepassingen uiteindelijk toch zullen
fysische eigenschappen om stoffen te kunnen
worden verbeterd om (te) veel lichtabsorptie te
worden gerealiseerd wordt echter wel groot
detecteren of te identificeren. De dunheid en
voorkómen. Voor batterijen moet meer inzicht
geacht door de vele deskundigen.
<<<
Geleidende kunststof
Een toepassing van grafeen is geleiding
van kunststoffen om vliegtuigvleugels
resistent te maken tegen blikseminslag
en om elektrostatische ontlading te
voorkómen in de brandstofleidingen
en -tanks. Afscherming van voertuigen
tegen elektromagnetische straling is
ook een toepassing. Ook zou grafeen
een rol kunnen spelen bij de vervanging
van metalen in vliegtuigen en auto’s om
gewicht te besparen zonder aan sterkte
Illustratie van een gegolfde laag grafeen, het oogt als kippengaas (foto: The University of Manchester/Jannik
in te boeten.
Meyer)
jaargang 51 | www.metaalmagazine.nl | 4-2013
20-21_Grafeen.indd 21
21
12-04-13 14:21