Høj temperatur trin-for-trin proces gør grafen fra ethen

Et internationalt hold af videnskabsmænd har udviklet en ny måde at fremstille enkeltlags grafen fra en simpel forløber:ethen - også kendt som ethylen - det mindste alkenmolekyle, som kun indeholder to atomer af kulstof.

Ved at opvarme ethenen i etaper til en temperatur på lidt mere end 700 grader Celsius - varmere end man havde forsøgt før - producerede forskerne rene lag af grafen på et rhodiumkatalysatorsubstrat. Den trinvise opvarmning og højere temperatur overvandt udfordringer set i tidligere bestræbelser på at producere grafen direkte fra kulbrinteprækursorer.

På grund af dens lavere omkostninger og enkelhed, teknikken kunne åbne nye potentielle applikationer for grafen, som har attraktive fysiske og elektroniske egenskaber. Værket giver også en ny mekanisme til selvudviklingen af ​​kulstofklyngeprækursorer, hvis diffusionssammensmeltning resulterer i dannelsen af ​​grafenlagene.

Forskningen, rapporteret som forsideartikel i 4. maj-udgaven af Journal of Physical Chemistry C , blev udført af forskere ved Georgia Institute of Technology, Technische Universität München i Tyskland, og University of St. Andrews i Skotland. I USA, forskningen blev støttet af U.S. Air Force Office of Scientific Research og US Department of Energy's Office of Basic Energy Sciences.

"Da grafen er lavet af kulstof, vi besluttede at starte med den enkleste type kulstofmolekyler og se, om vi kunne samle dem til grafen, " forklarede Uzi Landman, en Regents' Professor og F.E. Callaway begavet formandsstol i Georgia Tech School of Physics, som stod i spidsen for den teoretiske del af forskningen. "Fra små molekyler, der indeholder kulstof, du ender med makroskopiske stykker grafen."

Grafen fremstilles nu ved hjælp af en række forskellige metoder, herunder kemisk dampaflejring, fordampning af silicium fra siliciumcarbid - og simpel eksfoliering af grafenplader fra grafit. En række tidligere bestræbelser på at fremstille grafen fra simple kulbrinteprækursorer havde stort set vist sig at være mislykkede, skabe uordnet sod frem for struktureret grafen.

Styret af en teoretisk tilgang, forskerne ræsonnerede, at vejen fra ethen til grafen ville involvere dannelsen af ​​en række strukturer, efterhånden som brintatomer efterlader ethenmolekylerne og kulstofatomerne selv-samler sig i det honeycomb-mønster, der karakteriserer grafen. For at undersøge arten af ​​de termisk inducerede rhodiumoverfladekatalyserede transformationer fra eten til grafen, forsøgsgrupper i Tyskland og Skotland hævede materialets temperatur i trin under ultrahøjt vakuum. De brugte scanning-tunneling mikroskopi (STM), termisk programmeret desorption (TPD) og højopløsnings elektronenergitab (vibrations) spektroskopi (HREELS) for at observere og karakterisere de strukturer, der dannes på hvert trin af processen.

Ved opvarmning, ethen adsorberet på rhodiumkatalysatoren udvikler sig via koblingsreaktioner til dannelse af segmenterede endimensionelle polyaromatiske carbonhydrider (1D-PAH). Yderligere opvarmning fører til dimensionalitetsoverkrydsning - endimensionelle til todimensionelle strukturer - og dynamiske omstruktureringsprocesser ved PAH-kædens ender med en efterfølgende aktiveret løsrivelse af størrelsesselektive kulstofklynger, efter en mekanisme afsløret gennem første principper kvantemekaniske simuleringer. Endelig, hastighedsbegrænsende diffusional koalescens af disse dynamisk selvudviklede klynge-forstadier fører til kondens til grafen med høj renhed.

På den sidste fase før dannelsen af ​​grafen, forskerne observerede næsten runde skivelignende klynger indeholdende 24 kulstofatomer, som breder sig ud for at danne grafengitteret. "Temperaturen skal hæves inden for vinduer med temperaturområder for at tillade de nødvendige strukturer at dannes før næste opvarmningstrin, " Landman forklarede. "Hvis du stopper ved bestemte temperaturer, du vil sandsynligvis ende med at blive coke. "

En vigtig komponent er dehydrogeneringsprocessen, der frigør carbonatomerne til at danne mellemformer, men noget af brinten ligger midlertidigt på, eller tæt på, metalkatalysatoroverfladen, og den hjælper med den efterfølgende bindingsnedbrydningsproces, der fører til løsrivelse af 24-carbon-klynge-precursorerne. "Hele vejen, der er et tab af brint fra klyngerne, "sagde Landman." At hæve temperaturen 'koger' i det væsentlige brintet ud af den metal-understøttede kulstofstruktur, der udvikler sig, kulminerede med grafen."

Den resulterende grafenstruktur adsorberes på katalysatoren. Det kan være nyttigt fastgjort til metallet, men til andre applikationer, en måde at fjerne det på skal udvikles. Tilføjet Landman:"Dette er en ny vej til grafen, og den mulige teknologiske anvendelse mangler endnu at blive udforsket."