Tredimensionel nanoporøs grafen i høj kvalitet

Tredimensionel (3D) nanoporøs grafen med bevarede 2D Dirac elektroniske tegn blev med succes syntetiseret af Dr. Yoshikazu Ito og Prof. Mingwei CHEN ved Advanced Institute for Materials Research (AIMR), Tohoku Universitet. Den nanoporøse grafen er konstrueret af et enkeltlags grafenark, der kontinuerligt er forbundet med hinanden for at danne en kompleks 3D-netværksstruktur. Denne fritstående nanoporøse grafen med en fremragende krystallinitet har høj mobilitet, lover meget for applikationerne i elektroniske enheder.

Den nanoporøse grafen blev dyrket ved en nanoporøs metalbaseret kemisk dampaflejringsmetode (CVD) som vist i figur 1 (a). Den overordnede morfologi af den nanoporøse grafen i figur 1(b) viser et ~20 µm tykt fritstående bulkark. Selvom 3D nanoporøs grafen har en kompleks struktur, det påvises at være 500 cm2/V i elektronmobilitet og et masseløst Dirac-keglesystem. Da den konventionelle transistor kræver elektronmobilitet på 200 cm2/Vs, det forventes meget, at denne nanoporøse grafen vil bringe en ny enhed, som kan udskiftes med Si -enheder.

Dette arbejde er samarbejdet med forskerholdene af prof. Katsumi Tanigaki og prof. Takashi Takahashi ved AIMR, Tohoku Universitet. Disse forskningsresultater vil blive offentliggjort i nummer 19 af ' Angewandte Chemie International Edition ' som Hot Paper den 2. maj.

Grafen er et monolags kulstofmateriale med lave omkostninger, høj kemisk/termisk stabilitet, og ultrahøj styrke og forventes at være en udskiftning af silicium og ædelmetaller til elektronenheder, batterimaterialer, foto-/ion-detektorer og katalysatorer. Selvom nogle af grafenprodukter såsom display og elektroder er kommercielt tilgængelige, applikationerne er begrænsede på grund af 2D-arkstrukturen. Med andre ord, ydelsen pr. gram er fremragende, men ydelsen pr. volumen kan ikke opnås let. Derfor, der er gjort en stor indsats for at konstruere 2D -materialet som en 3D -struktur med bevarede fysiske/kemiske egenskaber og høj volumetrisk ydeevne. Imidlertid, de rapporterede 3D nanoporøse kulstofmaterialer lider af dårlig mobilitet på grund af den lavere krystallinitet, som ikke kan bruges til elektronenheder. For at opnå halvleder-grade 3D kulstofmaterialer, monolags grafenarket med en høj krystallinsk struktur er påkrævet i en 3D -struktur. Dermed, Vi har udviklet en 3D nanoporøs grafen med bevaret høj mobilitet og unikke 2D elektroniske egenskaber for grafen.

Den nanoporøse grafen i figur 1 blev syntetiseret ved den nanoporøse metalbaserede CVD -metode. Den nanoporøse grafen arver fuldstændigt den geometriske struktur af det nanoporøse nikkelsubstrat efter opløsning af nikkel. Atomstrukturen af ​​den nanoporøse grafen blev observeret af TEM som vist i figur 2. Ledbåndet i figur 2(a) blev konstrueret af flade overfladedele (figur 2(b)) og krumningsdele (figur 2(c)) af grafen ark. Det er tydeligt, at de seks-leddede ringe blev observeret i den flade del, mens de fem- og syvleddede ringe blev observeret i de buede dele på grund af det geometriske krav til at skabe krumningsstrukturerne.

De fysiske egenskaber af det nanoporøse grafen blev undersøgt. Da 2D-grafen er et Dirac-keglesystem (Figur 3(a)) og viser en lineær spredning, elektronisk tilstandsdensitet (Figur 3(b)). Den 3D nanoporøse grafen i figur 2 viser også et lineært forhold nær Fermi-niveauet, hvilket ligner 2D -grafen. Elektronmobiliteten af ​​det nanoporøse grafen med forskellige porestørrelser blev målt. Når temperaturen stiger, elektronmobiliteten falder lidt til 200-400 cm2/Vs. Sammenlignet med 2D CVD -grafen, elektronmobiliteten er stadig høj nok til enhedsapplikationer.

Afslutningsvis, den nanoporøse grafen bevarer 2D grafen futures. Disse fund rapporteres først for at afsløre de fysiske egenskaber ved 3D nanoporøst grafen.

Den 3D nanoporøse grafen forventes at bringe et gennembrud for at løse et problem med volumetrisk ydeevne af 2D grafen ved at give rigelige porøse strukturer for en nem massetransport og stort effektivt overfladeareal. I øvrigt, den nanoporøse grafen bevarer 2D grafen elektroniske tegn og forventes at blive anvendt til applikationer i elektroniske enheder såsom en transistorer og kondensatorer.