Графен, сшитый проводящими нанопроводами, готов составить конкуренцию ITO

Одноатомные слои графена, обладающего высокой электронной проводимостью, считаются наиболее многообещающим материалом для создания прозрачных электродов, что так нужны для производства солнечных батарей и дисплеев. К сожалению, попытки выращивания листов графена большой площади чаще всего заканчиваются получением материала с высокой концентрацией дефектов, которые значительно снижают его проводимость. Решение проблемы, по мнению учёных из Университета Пердью и их коллег из Техасского университета в Остине (оба — США), заключается в использовании сшивающих металлических нанопроводов.

Сегодня прозрачные электроды изготавливаются нанесением тонких плёнок проводящего индий-оловянного оксида (ITO), прозрачность которых обычно находится на уровне 90%, а сопротивление — менее 100 Ом. Увы, ITO-плёнки — хрупкий и довольно дорогой материал. Последнее вносит ощутимый вклад в стоимость солнечных батарей большой площади. В теории недорогой заменой мог бы стать графен, позволяя при этом создавать складывающуюся и скручивающуюся электронику…

…А на практике сопротивление листов графена большой площади, получаемых наиболее популярным методом химического осаждения из газовой фазы (CVD), может запросто превосходить 500 Ом. Такие листы представляют собой наборы несметного количества небольших кристаллов, на границах которых происходит «рассеяние» потоков электронов и положительно заряженных дырок. Кроме того, любые другие физические дефекты этих плёнок сами являются центрами рассеяния носителей зарядов.

Учёные уже пытались уменьшить сопротивление «поликристаллического» графена допированием его фторопластами или азотной кислотой (окисление поверхности). Однако такой химический допинг либо не мог снизить сопротивление до уровня ITO, либо вообще не был достаточно долговечным. В качестве альтернативного решения в Университете Пердью предложили интеграцию металлических нанопроводов в структуру графеновых листов.

За реализацию идеи взялись учёные из Техасского университета в Остине, и они смогли экспериментально доказать её справедливость. Сначала методом CVD на медной фольге был выращен чистый слой графена. Сканирующая микроскопия подтвердила худшие опасения: слой графена весь испещрён самыми разнообразными физическими дефектами, а сопротивление достигло 1 000 Ом. Затем исследователи подготовили плёнки, состоящие из различного числа серебряных нанопроводов длиной от 5 до 25 мкм, на которые были перенесены чистые графеновые плёнки, полученные на предыдущем этапе. Как и ожидалось, большее число нанопроводов весомее снижает сопротивление, но также уменьшает и прозрачность гибридного материала. Тем не менее плёнки даже с самым низким сопротивлением в 64 Ом были прозрачны на 94%. Совмещение двух таких плёнок позволило достичь ещё более низкого сопротивления в 24 Ом при прозрачности в 91%.

64-омную гибридную плёнку испытывали в электрохромовом устройстве, которое меняет свою прозрачность при приложении напряжения. В одном из экземпляров такого прибора прозрачный ITO-электрод был заменён на гибридную графен-серебряную плёнку. По словам исследователей, им не удалось обнаружить каких-либо видимых изменений в работе и надёжности устройства: по сравнению с оригиналом замена одного из штатных электродов не привела к изменению скорости переключения.

Подробнее об исследовании в области проводящих графеновых электродов можно узнать из статьи, опубликованной в журнале Nano Letters.

Подготовлено по материалам Chemical & Engineering News.