Team dyrker store grafenkrystaller, der har exceptionelle elektriske egenskaber

Når det kommer til væksten af ​​grafen - en ultratynd, ultrastærk, kulstofmateriale - det er de stærkestes overlevelse, ifølge forskere ved The University of Texas i Austin.

Holdet brugte overfladeilt til at dyrke enkeltgrafenkrystaller i centimeterstørrelse på kobber. Krystallerne var omkring 10, 000 gange så store som de største krystaller fra kun fire år siden. Meget store enkeltkrystaller har exceptionelle elektriske egenskaber.

"Det spil, vi spiller, er, at vi ønsker, at kernedannelse (væksten af ​​små 'krystalfrø') skal ske, men vi ønsker også at udnytte og kontrollere, hvor mange af disse små kerner der er, og som vil vokse sig større, " sagde Rodney S. Ruoff, professor ved Cockrell School of Engineering. "Oxygen i den rigtige overfladekoncentration betyder, at kun få kerner vokser, og vindere kan vokse til meget store krystaller."

Holdet - ledet af postdoc-stipendiat Yufeng Hao og Ruoff fra Institut for Mekanisk Teknik og Materials Science and Engineering Program, sammen med Luigi Colombo, en materialeforsker med Texas Instruments - arbejdede i tre år på grafenvækstmetoden. Holdets papir, "Overfladeiltens rolle i væksten af ​​stort enkeltkrystalgrafen på kobber, " er vist på forsiden af ​​8. november, 2013, spørgsmål af Videnskab .

Et af verdens stærkeste materialer, grafen er fleksibelt og har høj elektrisk og termisk ledningsevne, hvilket gør det til et lovende materiale til fleksibel elektronik, solceller, batterier og højhastighedstransistorer. Holdets forståelse af, hvordan grafenvækst påvirkes af forskellige mængder overfladeilt, er et stort skridt mod forbedrede grafenfilm af høj kvalitet i industriel skala.

Teamets metode "er et grundlæggende gennembrud, hvilket vil føre til vækst af højkvalitets og stort område grafenfilm, " sagde Sanjay Banerjee, som leder Cockrell School's South West Academy of Nanoelectronics (SWAN). "Ved at øge størrelsen af ​​enkeltkrystal-domæne, de elektroniske transportegenskaber vil blive dramatisk forbedret og føre til nye anvendelser inden for fleksibel elektronik."

Grafen er altid blevet dyrket i en polykrystallinsk form, det er, den er sammensat af mange krystaller, der er forbundet med uregelmæssig kemisk binding ved grænserne mellem krystaller ("korngrænser"), noget som et lappetæppe. Stor enkrystal grafen er af stor interesse, fordi korngrænserne i polykrystallinsk materiale har defekter, og eliminering af sådanne defekter giver et bedre materiale.

Ved at kontrollere koncentrationen af ​​overfladeilt, forskerne kunne øge krystalstørrelsen fra en millimeter til en centimeter. I stedet for sekskantformede og mindre krystaller, tilsætningen af ​​den rigtige mængde overfladeilt gav meget større enkeltkrystaller med flergrenede kanter, ligner et snefnug.

"I det lange løb kan det være muligt at opnå meterlængde enkeltkrystaller, " sagde Ruoff. "Dette har været muligt med andre materialer, såsom silicium og kvarts. Selv en centimeters krystalstørrelse - hvis korngrænserne ikke er for defekte - er ekstremt betydelig."

"Vi kan begynde at tænke på dette materiales potentielle brug i flyvemaskiner og i andre strukturelle applikationer - hvis det viser sig at være usædvanligt stærkt i længdeskalaer som dele af en flyvinge, og så videre, " han sagde.

Et andet vigtigt fund fra holdet var, at "bærermobiliteten" af elektroner (hvor hurtigt elektronerne bevæger sig) i grafenfilm dyrket i nærværelse af overfladeilt er usædvanlig høj. Dette er vigtigt, fordi hastigheden, hvormed ladebærerne bevæger sig, er vigtig for mange elektroniske enheder - jo højere hastigheden er, jo hurtigere kan enheden udføre.

Yufeng Hao siger, at han tror, ​​at viden opnået i denne undersøgelse kan vise sig nyttig for industrien.

"Den høje kvalitet af grafen, der dyrkes ved vores metode, vil sandsynligvis blive videreudviklet af industrien, og det vil i sidste ende gøre det muligt for enheder at være hurtigere og mere effektive, " sagde Hao.

Enkeltkrystalfilm kan også bruges til evaluering og udvikling af nye typer enheder, der kræver en større skala, end man kunne opnå før, tilføjede Colombo.

"På dette tidspunkt, der er ingen andre rapporterede teknikker, der kan give film af høj kvalitet, " Colombo sagde. "Det materiale, vi var i stand til at dyrke, vil være meget mere ensartet i dets egenskaber end en polykrystallinsk film."