Grafeeni, hiilinanoputki ja sähkönjohtavuus

Läpinäkyvien sähköä johtavien kalvojen kehittämisessä on otettu iso harppaus. Aalto-yliopiston ja Wienin yliopiston tutkijat yhdistivät grafeenin ja yksiseinäiset hiilinanoputket läpinäkyväksi hybridimateriaaliksi.

Uusi materiaali johtaa sähköä paremmin kuin kumpikaan komponentti yksinään. Sen avulla tehtäviä läpinäkyviä kalvoja käytetään esimerkiksi uudenlaisissa kosketusnäytöissä, orgaanisissa valodiodeissa ja aurinkokennoissa. 

Aalto yliopisto tiedotti asiasta 15.10. Asiasta kerrottiin ensin ACS Nano -lehdessä syyskuussa 2019 julkaistussa artikkelissa, jossa Aalto-yliopiston ja Wienin yliopiston tutkijat esittelevät hybridimateriaalin. 

Kalvoihin tarvitaan kestäviä, energiatehokkaita ja vakaita materiaaleja. Yksiseinäiset hiilinanoputket ovat herättäneet kiinnostusta, sillä niistä odotetaan nykyisten metallioksidikalvojen korvaajaa.

Grafeeni on ohuin mahdollinen materiaali – se koostuu vain yhdestä hiiliatomikerroksesta. Tällaisia kerroksia rullaamalla voidaan valmistaa hiilinanoputkia, jotka sopivat sähkönjohtimiksi käytännön sovelluksiin grafeenia paremmin. 

Kauppisen työryhmä

Aalto-yliopiston fysiikan professori Esko Kauppisen tutkimusryhmällä on vuosien kokemus hiilinanoputkien valmistuksesta läpinäkyviä sähköä johtavia kalvoja varten. Uudessa tutkimuksessa sovellettiin tutkimusryhmän kehittämiä tekniikoita ja asetettiin tiiviitä, puhtaita, sattumanvaraisesti järjestyneitä nanoputkiverkostoja grafeenin päälle.

”Kyseessä on uusi sovellus teknologioille, joita olemme kehittäneet viime vuosikymmenten aikana. Yksinkertaisesti sanottuna työssä yhdistetään kahta materiaalia ilman liuottimia”, Kauppinen sanoo Aaallon tiedotteessa.

Tutkimuksessa käytettiin termoforeesiksi kutsuttua prosessia, jolla nanoputket asetettiin esivalmistettujen grafeenielektrodien päälle. Näin aikaansaadut hybridikalvot johtivat sähköä noin kaksi kertaa odotettua paremmin.

Kotakosken työryhmä

Wienin yliopistossa professori Jani Kotakosken tutkimusryhmän suorittamat kokeet osoittivat, että grafeenin erinomainen sähkönjohtavuus paransi elektronivirtaa nanoputkien välillä aiheuttamalla varausten tunneloitumista. Tutkimusryhmä tarkasteli materiaalia yksittäisten atomien tasolla pyyhkäisy-läpivalaisuelektronimikroskoopin avulla. Grafeenin ja nanoputkien välisen van der Waals -voiman havaittiin olevan riittävä muuttamaan pyöreät nanoputkijoukot tasaisiksi kaistaleiksi.

 ”Uusi lähestymistapa on kerrassaan nerokas”, sanoo tutkija Kimmo Mustonen Wienin yliopistosta.

”Nanomateriaalien sähkönjohtavuus on erittäin herkkä ulkoisille vaikutuksille. Siksi on tärkeää välttää ylimääräisiä vaiheita materiaalin prosessoinnissa, kun halutaan tuottaa mahdollisimman hyvin sähköä johtava kalvo.”

”Esimerkiksi grafiitista voidaan ajatella, että se on vain suuri määrä toisiinsa sitoutuneita grafeenikerroksia. Emme kuitenkaan osanneet odottaa, että sillä olisi näin suuri vaikutus sähkönjohtavuuteen”, Mustonen sanoo.