Forskning:Grafen vokser bedre på visse kobberkrystaller

Nye observationer kan forbedre industriel produktion af grafen af ​​høj kvalitet, fremskynde æraen med grafenbaseret forbrugerelektronik, tak til ingeniører fra University of Illinois.

Ved at kombinere data fra flere billeddannelsesteknikker, teamet fandt ud af, at kvaliteten af ​​grafen afhænger af krystalstrukturen af ​​kobbersubstratet, det vokser på. Anført af elektriske og computertekniske professorer Joseph Lyding og Eric Pop, forskerne offentliggjorde deres resultater i tidsskriftet Nano bogstaver .

"Graphene er et meget vigtigt materiale, "Sagde Lyding." Elektronikens fremtid kan afhænge af det. Kvaliteten af ​​dets produktion er et af de vigtigste uløste problemer inden for nanoteknologi. Dette er et skridt i retning af at løse det problem. "

For at producere store ark grafen, metangas ledes ind i en ovn, der indeholder et ark kobberfolie. Når metanen rammer kobberet, kulstof-hydrogenbindinger revner. Brint slipper ud som gas, mens kulstoffet klæber til kobberoverfladen. Kulstofatomerne bevæger sig rundt, indtil de finder hinanden og binder sig til dannelse af grafen. Kobber er et tiltalende substrat, fordi det er relativt billigt og fremmer enkeltlags grafenvækst, hvilket er vigtigt for elektronik applikationer.

"Det er meget omkostningseffektivt, ligetil måde at lave grafen i stor skala, "sagde Joshua Wood, en kandidatstuderende og hovedforfatteren af ​​papiret.

"Imidlertid, dette tager ikke hensyn til finesser ved voksende grafen, "sagde han." At forstå disse finesser er vigtigt for at lave høj kvalitet, højtydende elektronik. "

Mens grafen dyrket på kobber har en tendens til at være bedre end grafen dyrket på andre underlag, det er stadig fyldt med fejl og sektioner i flere lag, forhindrer højtydende applikationer. Forskere har spekuleret i, at ruheden af ​​kobberoverfladen kan påvirke grafenvækst, men Illinois -gruppen fandt ud af, at kobberets krystalstruktur er vigtigere.

Kobberfolier er et patchwork af forskellige krystalstrukturer. Når metanen falder ned på folieoverfladen, formerne af de kobberkrystaller, de møder, påvirker, hvor godt kulstofatomerne danner grafen.

Forskellige krystalformer tildeles indeksnumre. Ved hjælp af flere avancerede billeddannelsesteknikker, Illinois-teamet fandt ud af, at pletter af kobber med højere indekstal har en tendens til at have lavere grafenvækst. De fandt også ud af, at to almindelige krystalstrukturer, nummereret (100) og (111), har den værste og den bedste vækst, henholdsvis. De (100) krystaller har en kubisk form, med store huller mellem atomer. I mellemtiden, (111) har en tæt pakket sekskantet struktur.

"I konfigurationen (100) er det mere sandsynligt, at carbonatomerne stikker i hullerne i kobberet på atomniveau, og så stabler de lodret i stedet for at diffundere ud og vokse sideværts, "Træ sagde." (111) overfladen er sekskantet, og grafen er også sekskantet. Det er ikke at sige, at der er et perfekt match, men at der er en foretrukken match mellem overfladerne. "

Forskere står nu over for at afbalancere omkostningerne ved alt (111) kobber og værdien af ​​høj kvalitet, fejlfri grafen. Det er muligt at producere enkeltkrystal kobber, men det er svært og uoverkommeligt dyrt.

U. of I. -teamet spekulerer i, at det kan være muligt at forbedre fremstilling af kobberfolie, så det har en højere procentdel af (111) krystaller. Grafen dyrket på en sådan folie ville ikke være ideelt, men kan være "godt nok" til de fleste applikationer.

"Spørgsmålet er, hvordan optimerer du det og stadig opretholder omkostningseffektivitet for teknologiske applikationer? "sagde Pop, medforfatter af papiret. "Som et fællesskab, vi skriver stadig kogebogen til grafen. Vi forbedrer konstant vores teknikker, prøve nye opskrifter. Som med enhver teknologi i sin barndom, vi undersøger stadig, hvad der virker, og hvad der ikke virker. "

Næste, forskerne håber at bruge deres metode til at studere væksten af ​​andre todimensionelle materialer, herunder isolatorer for at forbedre grafenens ydeevne. De planlægger også at følge op på deres observationer ved at dyrke grafen på enkeltkrystal kobber.

"Der er meget forvirring i grafenbranchen lige nu, "Lyding sagde." Det faktum, at der er en klar observationsforskel mellem disse forskellige vækstindeks, hjælper med at styre forskningen og vil sandsynligvis føre til flere kvantitative eksperimenter samt bedre modellering. Dette papir leder tingene i den retning. "