Diamant viser sig at være nyttigt materiale til dyrkning af grafen

Grafen er fremtidens ting. Årevis, forskere og teknologer har forudsagt nytten af ​​de ét atom-tykke plader af rent kulstof i alt fra avancerede touchskærme og halvledere til langtidsholdbare batterier og næste generations solceller.

Men grafens unikke iboende egenskaber – suveræne elektriske og termiske ledningsevner og bemærkelsesværdig elektronmobilitet, for blot at nævne nogle få - kan kun realiseres fuldt ud, hvis den vokser fri for defekter, der forstyrrer bikagemønsteret for de bundne kulstofatomer.

Et team ledet af materialeforsker Anirudha Sumant med det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory's Center for Nanoscale Materials (CNM) og Materials Science Division, sammen med samarbejdspartnere ved University of California-Riverside, har udviklet en metode til at dyrke grafen, der indeholder relativt få urenheder og koster mindre at fremstille, på kortere tid og ved lavere temperaturer sammenlignet med de processer, der i vid udstrækning bruges til at fremstille grafen i dag.

Teoretisk arbejde ledet af Argonne nanoscientist Subramanian Sankaranarayanan på CNM hjalp forskere med at forstå de molekylære processer, der ligger til grund for grafenvæksten.

"Jeg havde beskæftiget mig med alle disse forskellige teknikker til at dyrke grafen, og du ser aldrig sådan en uniform, glat overflade."

Den nye teknologi anvender ultrananokrystallinsk diamant (UNCD), en syntetisk type diamant, som Argonne-forskere har været banebrydende for gennem mange års forskning. UNCD fungerer som et fysisk substrat, eller overflade, hvorpå grafen vokser, og kilden til de kulstofatomer, der udgør et hurtigt fremstillet grafenark.

"Da jeg først kiggede på [scanningelektronmikrografen] og så denne flotte uniform, meget komplet lag, det var forbløffende, " sagde Diana Berman, den første forfatter til undersøgelsen og tidligere postdoktoral forskningsmedarbejder, der arbejdede med Sumant og nu er adjunkt ved University of North Texas. "Jeg havde beskæftiget mig med alle disse forskellige teknikker til at dyrke grafen, og du ser aldrig sådan en uniform, glat overflade."

Nuværende grafenfremstillingsprotokoller introducerer urenheder under selve ætseprocessen, som involverer tilsætning af syre og ekstra polymerer, og når de overføres til et andet substrat til brug i elektronik.

"De urenheder, der indføres under denne ætsning og overførselstrinnet, påvirker grafenens elektroniske egenskaber negativt, " sagde Sumant. "Så du får ikke grafenens iboende egenskaber, når du rent faktisk foretager denne overførsel."

Holdet fandt ud af, at enkeltlaget, enkelt-domæne grafen kan dyrkes over huller i mikronstørrelse sideværts, gør dem helt fritstående (dvs. løsnet fra det underliggende substrat). Dette gør det muligt at udnytte grafens iboende egenskaber ved at fremstille enheder direkte over fritstående grafen.

Den nye proces er også meget mere omkostningseffektiv end konventionelle metoder baseret på anvendelse af siliciumcarbid som substrat. Sumant siger, at de 3- til 4-tommers siliciumcarbidskiver, der bruges i disse typer vækstmetoder, koster omkring $1, 200, mens UNCD-film på siliciumwafers koster mindre end $500 at lave.

Diamantmetoden tager også mindre end et minut at dyrke et ark grafen, hvor den konventionelle metode antager størrelsesordenen timer.

Den høje kvalitet af grafen blev bekræftet af UC Riverside-medforfatterne Zhong Yan og Alexander Balandin ved at fremstille top-gate felteffekttransistorer fra dette materiale og måle dets elektronmobilitet og ladningsbærerkoncentration.

"Det er velkendt, at visse metaller, såsom nikkel og jern, opløse diamant ved forhøjede temperaturer, og den samme proces er blevet brugt i mange år til at polere diamant, " sagde Sumant. Han og hans team brugte denne egenskab til at bruge nikkel til at omdanne det øverste lag af diamant til amorft kulstof, men det var ikke klart, hvordan disse frigjorte kulstofatomer øjeblikkeligt omdannes til grafen af ​​høj kvalitet.

Efter Sumants og Bermans første gennembrud for dyrkning af grafen direkte på UNCD, Sankaranarayanan og hans postdocs Badri Narayanan og Sanket Deshmukh, Beregningsmaterialeforskere ved CNM brugte ressourcer på Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) til at hjælpe teamet med bedre at forstå mekanismen i vækstprocessen, der ligger til grund for dette interessante fænomen ved hjælp af reaktive molekylær dynamiske simuleringer.

Computersimuleringer udviklet af Narayanan, Deshmukh og Sankaranarayanan viste, at en vis krystallografisk orientering af nikkel-111 i høj grad favoriserer kernedannelse, og efterfølgende hurtig vækst af grafen; dette blev derefter bekræftet eksperimentelt.

Disse store simuleringer viste også, hvordan grafen dannes. Nikkelatomerne diffunderer ind i diamanten og ødelægger dens krystallinske orden, mens carbonatomer fra dette amorfe faste stof bevæger sig til nikkeloverfladen og hurtigt danner honeycomb-lignende strukturer, hvilket resulterer i for det meste fejlfrit grafen.

Nikkelen perkolerede derefter gennem de fine krystallinske korn fra UNCD, synker af vejen og fjerner behovet for syre til at opløse overskydende metalatomer fra den øverste overflade.

"Det er som at møde en barmhjertig samaritaner på et ukendt sted, som hjælper dig, udfører sit arbejde og går stille uden spor, " sagde Sumant.

"Den beviste forudsigelsesevne i vores simuleringer placerer os i en fordelagtig position, der muliggør hurtig opdagelse af nye katalytiske legeringer, der medierer vækst af højkvalitets grafen på dielektrikum og bevæger sig væk af sig selv, når væksten er fuldført, " tilføjede Narayanan.

Ud over nytten i at gøre minimalt defekt, applikationsklar grafen til ting som lavfrekvente vibrationssensorer, radiofrekvenstransistorer og bedre elektroder til vandrensning, Berman og Sumant siger, at Argonne-teamet allerede har sikret sig tre patenter, der stammer fra deres nye grafenvækstmetode.

Forskerne har allerede indgået et samarbejde med Swedish Institute of Space Physics, der involverer European Space Agency for deres Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE)-program for at udvikle grafen-belagte sonder, der kan hjælpe undersøgende køretøjer med at fornemme egenskaberne af plasma, der omgiver Jupiters måner.

Tættere på hjemmet, holdet har også udformet diamant- og grafennåle til forskere ved North Carolina University til brug i biosensingapplikationer.

Argonne-forskerne finjusterer nu processen - justerer temperaturen, der bruges til at katalysere reaktionen og justerer tykkelsen af ​​diamantsubstratet og sammensætningen af ​​metalfilmen, der letter grafenvæksten - for både at optimere reaktionen og for bedre at studere fysik ved grafen-diamant-grænsefladen.

"Vi forsøger at tune dette mere omhyggeligt for at få en bedre forståelse af, hvilke forhold der fører til, hvilken kvalitet af grafen vi ser, " sagde Berman.

Andre Argonne-forfattere involveret i undersøgelsen var Alexander Zinovev og Daniel Rosenmann. Papiret, "Metal-induceret hurtig transformation af diamant til enkelt- og flerlagsgrafen på wafer-skala, " er offentliggjort i Naturkommunikation .