Only Perception: 電動輥軸能大量生產石墨烯裝置

2012-02-24

電動輥軸能大量生產石墨烯裝置

Motorized roller could mass-produce graphene-based devices
http://www.physorg.com/news/2012-02-motorized-roller-mass-produce-graphene-based-devices.html

By Lisa Zyga, February 23, 2012

(PhysOrg.com) -- 替未來的電子應用尋找一種簡單、可縮放的方式在石墨烯（graphene）上形成圖案（pattern），是石墨烯研究者所面臨的最大挑戰之一。雖為了製造電子裝置，微影術已被廣泛用在創造石墨烯的圖案上，但其多道處理步驟卻使得它在大規模的運用上顯得太過複雜。在最近的研究中，科學家發現，一支電動化、可移動的輥軸，能透過週期性直紋（striped）圖案與橫紋（cross-striped）圖案的形態，將聚合物溶液沈積到石墨烯表面。這些圖案可用來製造電晶體。藉由排除涉及微影術的數道步驟，這種新技術能導致成本低廉、可大規模運用的石墨烯圖案製造方法。

究者們 -- 來自 KETI、成均館大學（二單位均位於韓國京畿道），韓國蔚山的 UNIST 以及韓國首爾的高麗大學 -- 已將他們的研究發表在最近一期的 Nano Letters 上。

"我們證明一種由自我組裝所斡旋的過程（a self-assembly mediated process），如何能被應用到在彈性基質上製造石墨烯微型圖案，" 高麗大學的 Kwang Suh（音譯：徐光）教授表示。"這種製程為大規模、輥對輥（roll-to-roll）的石墨烯圖案製造提供了一種可縮放且相容的方法。"

這項研究的目標是在單層石墨烯薄膜（製備在彈性基質上）上製造高度有序的 PMMA（壓克力）聚合物溶液（在固態時亦稱 Plexiglas）圖案。當石墨烯被某種電漿處理蝕刻時，PMMA 會保護特定區域。之後，PMMA 會被洗掉，沒被 PMMA 覆蓋的區域就會出現石墨烯蝕刻圖案。

為了將 PMMA 聚合物溶液轉印到石墨烯，研究者在石墨烯上放置一支輥軸，這支輥軸是由上面的電動機板以定速推動。當研究者將 PMMA 溶液載入到輥軸與石墨烯表面之間所形成的侷促空間時，由於阻力（pinning forces）與毛細力之間的競爭，PMMA 溶液邊緣（亦即接觸線）經歷持續不斷的黏滑運動（stick-slip motion）。結果，週期性的 PMMA 直條紋圖案就會在大面積的石墨烯表面形成。

這種方法製造的 PMMA 直條紋具有近乎相等的間距，且寬度約為 18 微米。將石墨烯薄膜旋轉 90 度以後，研究者也能夠製造橫條紋圖案。

"我們的方法不僅價廉且具備多樣的適用性，因為那能夠在彈性或堅硬的基質上運作；而且那比傳統的光微影製程更簡單，" KETI 的 Dr. Woo Seok Yan（音譯：元宇碩）表示。

為了研究最終石墨烯圖案的電子特性，研究者基於這些圖案，製造石墨烯彈性場效應電晶體。在添加電極與一層離子膠閘極介電層（ion-gel gate dielectric）之後，研究者測試這款電晶體，並發現它在低電壓下展現優異的電子遷移率。同樣的技術能用來製造各種基於石墨烯的裝置。

"得益於它的簡單、高產量以及可縮放到輥對輥製程，這種方法有望將石墨烯整合到實際的電子裝置中，例如場效應電晶體與感應器，" Yan 表示。

Yan 與 Suh 表示他們計畫要將這種技術擴展到更小的尺度。

"這種自我組裝過程的擴展也許會在奈米尺度上，導致更複雜多樣的石墨烯圖案，" Suh 說。"我們現正基於這種技術，專注在奈米結構化石墨烯圖案的高產量與輥對輥製造上。"

※ 相關報導：

＊ Large-Scale Graphene Micropatterns via Self-Assembly-Mediated Process for Flexible Device Application
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl203691d

TaeYoung Kim, Hyeongkeun Kim, Soon Woo Kwon, Yena Kim,
Won Kyu Park, Dae Ho Yoon, A-Rang Jang, Hyeon Suk Shin,
Kwang S. Suh, and Woo Seok Yang
Nano Lett., 2012, 12 (2), pp 743–748
doi: 10.1021/nl203691d