Grafenkrystaller vokser bedre under kobberdækning

En tilgang, der producerer enkeltkrystalgrafenplader på elektrisk isolerende understøtninger i stor skala, kunne hjælpe med udviklingen af ​​næste generations nanomateriale-baserede enheder, såsom meget lette og tynde berøringsskærme, bærbar elektronik og solceller.

De fleste grafen-baserede elektroniske enheder kræver isolerende understøtninger. Alligevel dyrkes højkvalitets grafenfilm, der er bestemt til industriel brug, typisk på et metalsubstrat, såsom kobberfolie, før de overføres til en isolerende understøtning til fremstilling af enheder. Dette overførselstrin kan introducere urenheder, der påvirker, hvor godt enheden yder. Bestræbelser på at dyrke grafen på isolerende understøtninger har ikke været i stand til at producere de påkrævede højkvalitets enkeltkrystaller.

"Hvis grafen kan dyrkes på et isolerende substrat med en ren grænseflade, kan visse enheder muligvis fungere bedre," siger Ph.D. studerende Bo Tian, ​​som var med til at lede undersøgelsen under Xixiang Zhangs supervision. "Dette åbner også døren til nye typer grafen-baserede nanoenheder," forklarer han.

Zhang, Tian og kolleger fra Asien og Europa tilpassede den kemiske dampaflejringsmetode, som er afhængig af den kobberkatalyserede nedbrydning af metan til kulstofprækursorer, for at generere glatte enkeltkrystalgrafenmonolag på enkeltkrystalsubstrater i wafer-skala kaldet c-plane safir.

Forskerne omdannede polykrystallinsk kobberfolie til sin enkeltkrystalmodstykke Cu(111) på safiroverfladen og indførte aktive kulstofatomer fra den metalsubstrat-katalyserede nedbrydning af metan på den resulterende film. Kulstofatomerne diffunderede gennem den metalliske film mod kobber-safir-grænsefladen, der fungerede som en skabelon og dannede velorienterede grafenøer, der efter adskillige vækstcyklusser smeltede sammen og gav et ark.

Ud over svage overfladeinteraktioner udviste kobberfilmen og safiren lignende krystalgittersymmetri som grafen, siger Tian, ​​hvilket forklarer den høje krystallinitet af grafenmonolaget.

Forskerne ætset enhver grafen væk, der havde samlet sig oven på kobberfilmen, ved hjælp af et hydrogen-argon-plasma for at lette kulstofdiffusion. De nedsænkede prøverne i flydende nitrogen, før de opvarmede dem hurtigt til 500 grader Celsius, hvilket gjorde kobberfilmen nem at pille af, mens grafen-monolaget blev intakt.

Felteffekttransistorer fremstillet på det safirdyrkede enkeltkrystal grafen monolag udviste fremragende ydeevne med højere bæremobiliteter. Den overlegne elektroniske ydeevne af grafen dyrket på safir skyldes dets højere krystallinitet og færre folder på overfladen, forklarer Tian.

"Vores team forsøger nu at dyrke andre todimensionelle materialer på den isolator-understøttede grafen for at bygge funktionaliserede heterostrukturer i stor skala," siger Tian. Disse heterostrukturer holdt sammen af ​​van der Waals-interaktioner forventes at være nyttige i fremtidige nanoenheder. + Udforsk yderligere

Enklere grafenmetode baner vejen for en ny æra af nanoelektronik