Fluor fremskynder todimensionel materialevækst

Tilbage i 2004, fysikfællesskabet var lige begyndt at erkende eksistensen af ​​virkelig todimensionalt (2-D) materiale, grafen. Spol frem til 2019, og forskere undersøger en bredde af 2-D materialer for at afdække flere af deres grundlæggende egenskaber. Vanvittigheden bag disse nye 2-D materialer ligger i deres fascinerende egenskaber-materialer tyndet ned til kun få atomer fungerer meget anderledes end 3D-materialer. Elektroner pakket ind i det tyndeste lag nogensinde viser særpræg, bortset fra at være i et "løst net". Også fleksibel, 2-D materialer kan have særlige elektriske egenskaber, åbner nye applikationer for næste generations teknologier såsom bøjelige og bærbare enheder.

Derefter, hvad er fangsten? Mange parametre såsom temperatur, tryk, forstadietype og strømningshastighed skal indregnes i CVD-syntesen af ​​2-D-materialer. Med flere reaktioner involveret, det er ekstremt svært at optimere alle disse faktorer under reaktionerne og finde deres bedste kombinationer. Når det er sagt, 2-D materialesyntese er vanskelig at kontrollere. Forskere har forsøgt at accelerere væksten af ​​2-D-materialer ved at anvende forskellige substrater, råvarer og temperatur. Stadig, kun få typer 2-D-materialer kan syntetiseres til stort område, film i høj kvalitet.

Forskere fra Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM), inden for Institute for Basic Science (IBS) ved Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) og samarbejdspartnere demonstrerede, at fluor, har den stærkeste tendens til at tiltrække elektroner (dvs. elektronegativitet) i alle elementer, kan fremskynde den kemiske reaktion for at dyrke tre repræsentative 2-D-materialer; grafen, h-BN, og WS2. Fluor kræver kun en elektron for at opnå en høj stabilitet. Også, med syv elektroner i det yderste kredsløb af et atom, afstanden, hvormed disse valenselektroner opholder sig, er minimum sammenlignet med andre elementer. Dette betyder, at valenselektronerne af fluor er bundet til atomet stærkere end noget andet atom, gør fluor til det mest aktive element i det periodiske system.

Faktisk, aktive gasser, såsom hydrogen eller ilt, bruges stort set til at indstille væksten af ​​grafen og andre 2-D-materialer. "Hvorfor ikke så det mest aktive element, fluor? Den højeste elektronegativitet gør det muligt for fluor at danne bindinger med næsten alle atomer i det periodiske system, så det forventes at ændre reaktionsveje for mange kemiske processer, "sagde professor Feng Ding, den tilsvarende forfatter til denne undersøgelse.

Eksperimentelt, det er ikke at foretrække at indføre fluor under et materiales vækst, da fluor bliver meget giftigt i reaktoren. For at løse problemet, i stedet for at bruge fluorgas direkte, forskerne begrænsede rumligt fluortilførslen, så kun den mindste mængde fluor indtages. De placerede et metalfluoridsubstrat (MF ₂ ) under en Cu -folie med et meget smalt mellemrum imellem. Ved en høj temperatur, fluorradikaler frigives fra fluoridoverfladen og rumligt fanget i den snævre kløft mellem Cu -folien og metalfluoridsubstratet. Overraskende, sådan en simpel ændring fører til en rekordvækst på grafen ved 12 mm pr. minut. For at sætte denne sats i perspektiv, denne nye fremgangsmåde reducerer væksttiden med 10 cm ² grafen fra 10 minutter med tidligere metoder, nu ned til kun tre minutter.

Indførelsen af ​​lokalt fluor ændrer fuldstændigt metannedbrydningsruten. Da fluor frigivet fra metalfluoridoverfladen let reagerer med metangas, der vil være en tilstrækkelig mængde CH ³ F eller CH ² F ² molekyler i kløften mellem Cu og BaF ² substrater. Disse molekyler kan meget lettere nedbrydes på en Cu -overflade end CH4 gør. Med andre ord, de fodrer grafenvæksten bedre ved at levere mere aktive kulradikaler (dvs. CH ³ , CH ² , CH og C).

Yderligere eksperimentelle undersøgelser viste, at den lokale fluorforsyningsstrategi i høj grad kunne accelerere væksten af ​​andre 2-D-materialer, såsom h-BN og WS2, såvel. Forskerne undersøgte, hvordan rumligt begrænset fluor er i stand til at accelerere væksten af ​​2-D-materialer. Teoretiske undersøgelser viste, at fluor, være meget reaktiv, interagerer let med metanmolekyler. Eksistensen af ​​fluor fører til dannelsen af ​​CH ³ F eller CH ² F ² molekyler. Disse meget aktive molekyler kan derefter lettere nedbrydes på Cu folieoverfladen, hvilket i høj grad fremskynder kulstofforsyningen til hurtig grafenvækst.

Selvom den detaljerede mekanisme for fluor, der øger væksten af ​​h-BN og WS2, ikke er klar, forfatterne er overbeviste om, at tilstedeværelsen af ​​fluor i væsentlig grad kan ændre reaktionerne ved 2-D-materialers vækst. "Vi forestiller os, at denne lokale fluortilførsel let vil lette hurtig vækst af brede 2-D-materialer eller muliggøre vækst af nye 2-D-materialer, som er meget vanskelig at realisere ved andre metoder, "sagde professor Feng Ding. Ud over fluoridet, der er rigelige former for substrater som sulfider, selenider, chlorider eller bromider, der kan bruges som lokale forsyningskilder til forskellige aktive materialer, som giver en bred nok platform til at modulere væksten af ​​brede 2-D-materialer.