Uutiset

Grafeenipohja parantaa hiilinanoputkiverkoston sähkönjohtavuutta

Aalto-yliopiston ja Wienin yliopiston tutkijat yhdistivät grafeenin ja yksiseinäiset hiilinanoputket läpinäkyväksi hybridimateriaaliksi. Uusi materiaali johtaa sähköä paremmin kuin kumpikaan komponentti yksinään.
an electron microscope image showing a carbon nanotube on top of a substrate of graphene
Vasemmalla: elektronimikroskooppikuva hiilinanoputkien ja grafeenin muodostamasta hybridimateriaalista. Oikealla: atomitason lähikuva hiilinanoputken ja grafeenin yhtymäkohdasta.

Läpinäkyviä sähköä johtavia kalvoja käytetään esimerkiksi kosketusnäytöissä, orgaanisissa valodiodeissa ja aurinkokennoissa. Niihin tarvitaan kestäviä, energiatehokkaita ja vakaita materiaaleja, minkä vuoksi yritykset ja tutkijat ovat kiinnostuneita hiilipohjaisista aineista. Yksiseinäiset hiilinanoputket ovat herättäneet erityistä 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. ACS Nano -lehdessä julkaistussa artikkelissa Aalto-yliopiston ja Wienin yliopiston tutkijat esittelevät hybridimateriaalin, joka yhdistää hiilinanoputket ja grafeenin. Materiaalin sähkönjohtavuus on parempi kuin kummallakaan sen rakenteellisella komponentilla erikseen.

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.

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

Wienin yliopistossa professori Jani Kotakosken johtaman 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.”

Mustosen mukaan löytö on merkittävä, vaikka jo etukäteen oli tiedossa, että materiaalien keskinäinen vuorovaikutus on voimakas.

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

Tutkimuksen tulokset avaavat uusia mahdollisuuksia samankaltaisten hybridinanomateriaalien sähkönjohtavuuden parantamiseen. Artikkeli julkaistiin ACS Nano -lehdessä syyskuussa 2019.

Nanomaterials (NMG)

The NanoMaterials Group, headed by Prof. Esko I. Kauppinen, is among the top aerosol technology laboratories in the world and offers a unique environment for strong interdisciplinary research and a proven track record of productive cooperation.

Read more
Nanomaterials Group
  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lisää tästä aiheesta

ARTS open science roadshow, pic of the session
Tutkimus ja taide Julkaistu:

European Open Science Cloud (EOSC) Finnish Forumin webinaari 25.1.2021

Yksi puhujista on Karel Luyben, European Open Science Cloudin (EOSC) ensimmäinen puheenjohtaja ja Aalto-yliopiston hallituksen jäsen.
Installation Talk 2020, Jarkko Niiranen
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Professori Jarkko Niiranen: Rakenteiden suunnittelun perustana ovat matemaattiset mallit

Laskennallisen rakennetekniikan vakituiseen associate professor -tehtävään nimitetty Jarkko Niiranen käsittelee esityksessään laskennallista mekaniikkaa.
Dronen ottama kuva Otakaari 1:sestä, kuva: Mikko Raskinen
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Mistä tietää ilman GPS-signaalia, missä lennokki lentää?

Jouko Kinnarin väitöstutkimuksessa dronen sijainti selviää karttatietojen sekä antureiden avulla.
Apulaisprofessori Jukka Luoma. Kuva: Mikko Raskinen / Aalto-yliopisto
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Ideologinen onttous auttaa kapitalismin voittoihin

Apulaisprofessori Jukka Luoma ja kollegansa löysivät yllättävän yhteyden organisaatio-oppimisen ja poliittisten taustaideologioiden väliltä.