Kulmonoxid bliver til stor defektfri grafenkrystal under omgivende tryk

Forskere fra Skoltech, MIPT, RAS Institute of Solid State Physics, Aalto University og andre steder har foreslået den første grafensynteseteknik, der bruger kulilte som kulstofkilde. Det er en hurtig og billig måde at fremstille grafen af ​​høj kvalitet med relativt simpelt udstyr til brug i elektroniske kredsløb, gassensorer, optik og mere. Undersøgelsen udkom i tidsskriftet Advanced Science .

Kemisk dampaflejring er standardteknologien til at syntetisere grafen, det et-atom-tykke ark af kulstofatomer i et honeycomb-arrangement med uovertrufne egenskaber, der er nyttige til elektronikapplikationer og mere. CVD involverer normalt kulstofatomer, der brækker gasmolekyler af og sætter sig på et substrat som et monolag i et vakuumkammer. Et populært substrat er kobber, og de anvendte gasser har uvægerligt været kulbrinter:metan, propan, acetylen, spiritus osv.

"Idéen til at syntetisere grafen ud fra kulilte kom for længe siden, da den gas er en af ​​de mest bekvemme kulstofkilder til vækst af enkeltvæggede kulilte nanorør. Vi har haft erfaring med kulilte i næsten 20 år. Men , var vores første eksperimenter med grafen mislykkede, og det tog os lang tid at forstå, hvordan vi kunne kontrollere kernedannelsen og væksten af ​​grafen. Skønheden ved kulilte er i dets udelukkende katalytiske nedbrydning, hvilket gjorde det muligt for os at implementere selvbegrænsende syntese af store krystaller af enkeltlags grafen selv ved omgivende tryk," siger undersøgelsens hovedforsker, Skoltech-professor Albert Nasibulin.

"Dette projekt er et af de strålende eksempler på, hvordan fundamentale undersøgelser gavner anvendte teknologier. De optimerede betingelser, der fører til dannelsen af ​​store grafenkrystaller, blev mulige på grund af en forståelse af den dybe kinetiske mekanisme for grafendannelse og -vækst verificeret af både teori og eksperiment ," understreger en medforfatter af papiret, seniorforsker Dmitry Krasnikov fra Skoltech.

Den nye metode nyder godt af princippet om såkaldt selvbegrænsende. Ved høje temperaturer har kuliltemolekyler tendens til at bryde op i kulstof- og oxygenatomer, når de kommer tæt på kobbersubstratet. Men når først det første lag af krystallinsk kulstof er aflejret og adskiller gassen fra substratet, aftager denne tendens, så processen favoriserer naturligvis dannelsen af ​​et monolag. Metanbaseret CVD kan også fungere på en selvbegrænsende måde, men i mindre grad.

"Det system, vi brugte, har en række fordele:Den resulterende grafen er renere, vokser hurtigere og danner bedre krystaller. Desuden forhindrer denne tweak ulykker med brint og andre eksplosive gasser ved at eliminere dem fra processen helt," siger undersøgelsens første forfatter, Skoltech-praktikant Artem Grebenko.

At metoden udelukker forbrændingsrisici betyder, at der ikke kræves vakuum. Apparatet arbejder ved standardtryk, hvilket gør det meget enklere end konventionelt CVD-udstyr. Det forenklede design fører til gengæld til hurtigere syntese. "Det tager kun 30 minutter fra at tage et bart stykke kobber til at trække grafenet ud," siger Grebenko.

Da der ikke længere er behov for vakuum, fungerer udstyret ikke bare hurtigere, men bliver også billigere. "Når du dropper den avancerede hardware til at generere ultrahøjt vakuum, kan du faktisk samle vores 'garageløsning' for ikke mere end $1.000," understreger forskeren.

Medforfatter af undersøgelsen Boris Gorshunov, professor ved MIPT, understreger den høje kvalitet af det resulterende materiale:"Når en ny grafensynteseteknik præsenteres, er det bydende nødvendigt, at forskerne beviser, at den producerer, hvad de hævder, den gør. Efter strenge tests , kan vi med tillid sige, at vores faktisk er grafen af ​​høj kvalitet, der kan konkurrere med det materiale, der produceres via CVD fra andre gasser. Det resulterende materiale er krystallinsk, rent og kommer i stykker, der er store nok til at blive brugt i elektronik."

Udover standardapplikationerne af grafen som sådan, er der spændende muligheder for at bruge grafen bundet til kobbersubstratet - uden at fjerne metallet. Sammenlignet med metan har kulilte en meget høj vedhæftningsenergi til metal. Dette betyder, at grafen både beskytter kobberlaget mod kemiske reaktioner, når aflejring sker, og giver det struktur, hvilket skaber en højt udviklet metaloverflade, der har store katalytiske egenskaber. Nogle andre metaller, såsom ruthenium og palladium, ville også arbejde i denne sammenhæng for at åbne en vej for nye materialer med usædvanlige overflader. + Udforsk yderligere

Slukning med laser øger grafenkvaliteten