Balmumu ile grafen kaplama; cihaz üretimi sırasında daha az kirli bir yüzey oluşturur.
Cihaz üretimi sırasında yüzeyini sıkıştıran performansı azaltan kırışıklıklar ve kirleticilerden korumak için, MIT araştırmacıları grafeni günlük bir malzemeye dönüştürdü: Balmumu. Grafen; yeni nesil elektronikler üretme vaadinde bulunan, ince bir malzemedir. Araştırmacılar, esnek elektronikler ve kuantum bilgisayarlar için ve diğer çeşitli cihazlarda, devrelerde egzotik malzemeyi kullanma olasılıklarını araştırıyorlar.
Ancak, kırılgan malzemenin üzerinde büyüdüğü alt tabakadan çıkarılması ve yeni bir alt tabakaya aktarılması özellikle zordur. Geleneksel yöntemler; grafeni kırılmaya karşı koruyan, ancak aynı zamanda grafenin yüzeyine kusurlar ve parçacıklar kazandıran bir polimerde içerir. Bunlar elektriksel akışı ve baskı performansını keser.
Nature Communications’da yayınlanan bir makalede, araştırmacılar; bir grafen tabakaya balmumu kaplaması uygulayan ve onu ısıtan bir üretim tekniği tarif etmektedir. Isı, balmumunun genişlemesine neden olur ve bu da kırışıklıkları azaltmak için grafeni yumuşatır. Dahası, kaplama fazla kalıntı bırakmadan yıkanabilir.
Deneylerde, araştırmacıların balmumu kaplı grafenleri, geleneksel polimer koruyucu tabaka ile yapılan grafenden dört kat daha iyi performans gösterdi. Bu durumda, performans “elektron hareketliliğinde” ölçülür; yani elektronların bir malzemenin yüzeyinde ne kadar hızlı hareket ettiği, yüzey kusurları tarafından engellenir.
Araştırmacı Wei Sun: “Bir zemini cilalamak gibi, geniş alan grafeninin üzerine aynı tipte bir kaplama yapabilir ve grafeni metal büyütme substratından almak ve istenen herhangi bir yüzeye transfer etmek için katman olarak kullanabilirsiniz.”
Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimi’nden (AETS) Leong: “Bu teknoloji çok kullanışlıdır, çünkü iki sorunu aynı anda çözer: Kırışıklıklar ve polimer kalıntıları…”
“Mükemmel” Koruyucu
Geniş alanlarda grafen yetiştirmek için, 2D malzeme tipik olarak ticari bir bakır substrat üzerinde büyütülür. Daha sonra, tipik olarak polimetil metakrilat (PMMA) olan “kurban” polimer katmanıyla korunur. PMMA kaplı grafen, bakır tamamen bitinceye kadar bir asidik çözelti kabına yerleştirilir. Kalan PMMA-grafen, suyla durulanır, sonra kurutulur ve PMMA katmanı nihai olarak çıkarılır.
Kırışıklıklar; su, grafen ve PMMA’nın engellemediği hedef substrat arasında sıkışıp kaldığında meydana gelir. Ayrıca PMMA; grafen atomlarıyla güçlü bağlar oluşturan kompleks oksijen, karbon ve hidrojen atomu zincirlerini içerir. Bu, çıkarıldığında yüzeydeki parçacıkların arkasında kalmaktadır. Araştırmacılar; kırışıklıkları ve kalıntıları azaltmaya yardımcı olmak için PMMA’yı ve diğer polimerleri değiştirmeyi denedi, ancak çok düşük bir başarı sağlandı.
MIT araştırmacıları bunun yerine tamamen yeni malzemeler aradılar. Materyal bilimi literatürünü taradıktan sonra, araştırmacılar diğer uygulamaların yanı sıra parafine, ortak beyazımsı, yarı saydam balmumu, mumlar, cilalar ve su geçirmez kaplamalara indi. Testten önceki simülasyonlarda, malzemelerin özelliklerini inceleyen Buehler’in grubu parafin ve grafen arasında bilinen bir reaksiyon bulamadı. Bu, parafinin çok basit kimyasal yapısından kaynaklanıyor.
Daha Temiz Transfer
Tekniklerinde; araştırmacılar önce küçük parafin parçalarını bir fırında eritmişlerdir. Daha sonra, malzemeyi bir substrat boyunca düzgün bir şekilde yaymak için merkezkaç kuvveti kullanan bir mikrofabrikasyon makinesi olan bir döndürme kaplayıcı kullanarak, parafin çözeltisini bakır folyo üzerinde büyütülmüş bir grafen tabakasının üzerine düşürdüler. Bu, parafini grafen boyunca yaklaşık 20 mikron kalınlığında koruyucu bir tabakaya yayar.
Araştırmacılar parafin kaplı grafeni bakır folyoyu gideren bir çözeltiye aktardılar. Kaplanan grafen daha sonra yaklaşık 40 santigrat dereceye kadar ısıtılmış geleneksel bir su teknesine yerleştirildi. Grafeni alttan uzaklaştırmak ve aynı sıcaklığa ayarlanmış bir fırında pişirmek için bir silikon hedef substrat kullandılar.
Parafin yüksek bir termal genleşme katsayısına sahip olduğundan, ısıtıldığında oldukça fazla genleşir. Bu ısı artışı altında, parafin, altındaki grafeni genişletir ve gerer, kırışıklıkları etkili bir şekilde azaltır. Son olarak, araştırmacılar parafini yıkamak için farklı bir solüsyon kullandılar ve hedef substrat üzerinde bir tek grafen tabakası bıraktılar.
Araştırmacılar makalelerinde, parafin kaplı ve PMMA kaplı grafenin küçük bir alanının mikroskobik görüntülerini göstermektedir. Parafin kaplı grafen neredeyse tamamen kalıntılardan arındırılmıştır, oysa PMMA kaplı grafen, çizik bir pencere gibi ağır hasar görmüştür.
Balmumu kaplama, bir malzemeye su geçirmez bir kaplama uygulamak gibi birçok üretim uygulamasında zaten yaygındır. Bu yüzden araştırmacılar, yöntemlerinin gerçek dünya üretim işlemlerine kolayca uyarlanabileceğini düşünüyor. Özellikle, balmumu eritmek için sıcaklıktaki artış, üretim maliyetlerini veya verimliliği etkilememelidir. Bu nedenle gelecekte ısıtma kaynağının bir ışıkla değiştirilebileceğini ifade etmektedirler.
İlerleyen zamanlarda, araştırmacılar; grafen üzerinde kalan kırışıklıkları ve kirletici maddeleri daha da minimize etmeyi ve sistemi daha büyük grafen tabakalarına ölçeklendirmeyi amaçlamaktadır. Ayrıca, aktarma tekniğini diğer 2 boyutlu malzemelerin imalat işlemlerine uygulamak için de çalışmaktadırlar.
