12 января 2022

Графен может заменить редкие материалы в сенсорных экранах

Диаграмма процесса производства графеновых дисплеев

Исследование, недавно опубликованное в журнале Advanced Optics Materials, показывает, что теперь можно заменить оксид индия-олова (индий — редкий элемент) графеном в большом количестве электронных или оптических устройств, таких как сенсорные экраны - и это без какого-либо снижения производительности. Исследователи из Лондонского университета королевы Марии и компании Paragraf разработали способ замены оксида индия-олова (ITO) графеном. Это исследование может иметь далеко идущие последствия.

Индий - редкий материал. Сегодня он используется практически во всех производимых в мире сенсорных экранах, а также во многих дисплейных технологиях: LCD, OLED, e-ink, светодиодном освещении, солнечных батареях и т.д. В начале своего исследования ученые отмечают, что индий входит в список девяти элементов, находящихся под угрозой исчезновения, составленный Американским химическим обществом. Его пока не заменили из-за проблем с производительностью.

"Из-за его важности и редкости было предпринято множество попыток заменить ITO, но пока не найдено материала, обладающего сравнимыми характеристиками в электронных или оптических устройствах", — объясняет профессор Колин Хамфрис, исследователь из Университета королевы Марии и компании Paragraf, в заявлении, опубликованном Университетом королевы Марии. Команда утверждает, что ей удалось преодолеть эту трудность, разработав экран OLED (Organic Light Emitting Diode), который по производительности не уступает обычным экранам. Для этого исследователи использовали графен — материал, который, в отличие от индия, получен из элемента, в изобилии присутствующего на Земле: углерода. Однако это не первый случай исследований в этой области: углеродные нанотрубки, металлические нанопровода, металлические решетки, проводящие полимеры и даже графен были использованы в попытках заменить индий.

Среди этих материалов графен представляется весьма выгодным:

"Преимущество графена заключается в большом количестве углерода, отличных электрических, тепловых и механических свойствах, высоком оптическом пропускании, химической стойкости и нетоксичности", — объясняют ученые.

Графен получают из графита: говоря конкретным языком, это "лист", состоящий из атомов углерода, расположенных в виде шестиугольника, с толщиной в один атом углерода.

Поэтому исследователи решили использовать графен. Для этого команда использовала процесс, известный как металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD), который позволил им осадить графен непосредственно на прозрачную подложку (сапфировую подложку) без фазы переноса. Он был вытравлен с помощью процесса фотолитографии, чтобы сделать анод (положительный электрод). Графен также был "допирован" путем добавления азотной кислоты, чтобы адаптировать его устойчивость к потребностям ученых и улучшить проводимость.

Несмотря на существование этого "чудо-материала", дисплеи, созданные с использованием графена, до сих пор не могли конкурировать. По мнению исследователей, именно эта система трансфера стала ключом к их успеху. В прошлых экспериментах графен сначала помещали на металлические катализаторы, а затем переносили на прозрачную подложку. Оставшиеся в графене примеси могли бы повлиять на качество создаваемых устройств.

Одной из остающихся проблем в замене этого редкого материала графеном является крупномасштабное производство графена, которое все еще представляет трудности. Ведь он не существует в своем естественном состоянии. Парадоксально, но, несмотря на его дефицит, индий пока остается менее дорогим, чем графен.