Stor enkelt-krystal grafen er mulig

Takket være dens ledningsevne, styrke og smidighed, grafen betragtes som en af ​​de mest sandsynlige erstatninger for silicium og andre materialer. Imidlertid, det har endnu ikke resulteret i industrielle anvendelser. Enkrystalgrafen af ​​høj kvalitet kan kun fremstilles i mængder på et par millimeter til blot centimeter store. For nylig, et team ledet af prof. Feng Ding og prof. Rodney Ruoff med Institute for Basic Science (IBS), Prof. Kaihui Liu ved Peking Universitet, og deres samarbejdspartnere rapporterede syntesen af ​​et stort ark monolag enkrystal grafen. Dette resultat tillader et spring fremad i grafenproduktionen til en optimeret metode til fremstilling af en næsten perfekt (> 99,9 % justeret) 5 × 50 cm ² enkelt-krystal grafen på kun 20 minutter. I øvrigt, lave produktionsomkostninger, sammenlignelig med kommercielt tilgængelige polykrystallinske grafenfilm af lavere kvalitet, kunne udvide dens anvendelighed. Detaljeret i Videnskabsbulletin , metoden forventes at stimulere yderligere grundlæggende arbejde med grafen og relaterede materialer, herunder foldning af grafenplader i stor skala, ligner papir, skabe origami-lignende eller kirigami-lignende former, der kunne anvendes på fremtidige fleksible kredsløb.

Enkeltkrystalgrafen er et honeycomb-formet monolag af kulstofatomer, ensartet i hele materialet På den anden side, polykrystallinsk grafen er dannet af tilfældigt orienterede grafenøer, som forringer dens kvalitet. I øjeblikket, forskere er i stand til at dyrke meter-størrelse polykrystallinsk grafen og mindre enkelt-krystal grafen, spænder fra 0,01 mm ² til nogle få cm ² . Syntesen af ​​stor enkrystal grafen til en lav pris er et kritisk mål for grafensyntese. I dette studie, grafen dyrkes på overfladen af ​​en 5 × 50 cm ² kobberfolie, som blev omdannet til en enkelt-krystal kobberfolie ved opvarmning til ~ 1, 030°. Temperaturhældningen fra varm til kold flyttede den såkaldte korngrænse fremad, skabe en perfekt enkelt krystal. I opvarmnings- og afkølingsbehandlingen, kobberatomer migrerer inde i materialet, indrettes i en ordnet struktur med færre fejl. "Hemmeligheden bag at opnå enkelt-krystal grafen i store størrelser er at have en perfekt enkelt-krystal kobber som en base til at starte med. Stor enkelt-krystal kobber folie er ikke kommercielt tilgængelig, så laboratorier skal bygge det med deres egne midler, " forklarer Feng Ding, gruppeleder ved Center for Multidimensionelle Kulstofmaterialer.

Derefter, via en anden teknik kaldet kemisk dampaflejring, millioner af parallelle grafenøer er dannet på kobberfoliens overflade. Efterhånden som flere kulstofatomer aflejres på folien, øerne vokser, indtil de smelter sammen og danner et næsten perfekt enkelt-krystal grafenlag, der dækker hele den tilgængelige overflade.

For at optimere teknikken, holdet skulle overveje fire tekniske udfordringer:(i) forberedelse af enkrystal kobberfolie i et meget stort område, (ii) opnåelse af en høj grad af justering af grafenøerne efter deres kernedannelse og vækst, (iii) sømløst at sy grafenøerne til en enkelt krystal gennem yderligere vækst og (iv) den hurtige vækst af enkeltkrystalgrafen. Selvom tidligere rapporter har behandlet nogle af de ovennævnte udfordringer, denne undersøgelse overvandt dem alle og gjorde syntesen af ​​meter-størrelse enkrystal grafen mulig. Graden af ​​de fejljusterede grafenøer er mindre end 0,1 procent, svarende til ubetydelige fejl og korngrænser i produkterne.

Det nuværende resultat var kun begrænset af størrelsen af ​​kobberfolien og, i princippet, både størrelsen af ​​kobberfolien og grafenfilmen kunne være ubegrænset. Ud over, i betragtning af den meget korte tid til grafensyntese (20 minutter) og den relativt billige eksperimentelle opsætning, prisen på en enkelt-krystal (eller næsten en-krystal) grafen kunne være tæt på prisen for nuværende polykrystallinske grafenfilm.

"Mange forskeres drøm er at erstatte silicium, " siger Ding. "Nu, vi undersøger, hvilket materiale der er det bedste til at dyrke grafen ovenpå, og hvordan man bruger kobber som et substrat til andre interessante 2-D materialer."