Metode til at dyrke stor enkrystal grafen kunne fremme skalerbare 2-D materialer

En ny metode til at producere store, monolag enkelt-krystal-lignende grafen film mere end en fod lang er afhængig af at udnytte en "survival of the fittest" konkurrence blandt krystaller. Den nye teknik, udviklet af et team ledet af Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, kan åbne nye muligheder for at dyrke de højkvalitets todimensionelle materialer, der er nødvendige for længe ventede praktiske anvendelser.

At lave tynde lag af grafen og andre 2D-materialer i en skala, der kræves til forskningsformål, er almindeligt, men de skal fremstilles i meget større skala for at være nyttige.

Grafen er udråbt for sit potentiale af hidtil uset styrke og høj elektrisk ledningsevne og kan fremstilles gennem velkendte metoder:adskillelse af flager af grafit - det sølvblanke bløde materiale, der findes i blyanter - i et atom-tykke lag, eller at dyrke det atom for atom på en katalysator fra en gasformig precursor, indtil der dannes ultratynde lag.

Det ORNL-ledede forskerhold brugte sidstnævnte metode - kendt som kemisk dampaflejring, eller CVD - men med et twist. I en undersøgelse offentliggjort i Naturmaterialer , de forklarede, hvordan lokaliseret kontrol af CVD-processen tillader evolutionære, eller selvvalg, vækst under optimale forhold, giver et stort, enkelt-krystal-lignende ark af grafen.

"Store enkeltkrystaller er mere mekanisk robuste og kan have højere ledningsevne, " ORNL hovedmedforfatter Ivan Vlassiouk sagde. "Dette skyldes, at svagheder, der opstår fra sammenkoblinger mellem individuelle domæner i polykrystallinsk grafen, er elimineret."

"Vores metode kan være nøglen ikke kun til at forbedre produktionen i stor skala af enkeltkrystalgrafen, men også til andre 2D-materialer, hvilket er nødvendigt for deres store anvendelser, " han tilføjede.

Ligesom traditionelle CVD-tilgange til fremstilling af grafen, forskerne sprøjtede en gasformig blanding af kulbrinteprækursormolekyler på en metallisk, polykrystallinsk folie. Imidlertid, de kontrollerede omhyggeligt den lokale aflejring af kulbrintemolekylerne, bringer dem direkte til kanten af ​​den nye grafenfilm. Da substratet bevægede sig nedenunder, kulstofatomerne kontinuerligt samlet som en enkelt krystal af grafen op til en fod i længden.

"Den ubehæftede enkeltkrystallignende grafenvækst kan gå næsten kontinuerligt, som en rulle-til-rulle og ud over de fodlange prøver, der er vist her, " sagde Sergei Smirnov, medforfatter og professor i New Mexico State University.

Når kulbrinterne rører den varme katalysatorfolie, de danner klynger af carbonatomer, der over tid vokser til større domæner, indtil de samler sig for at dække hele substratet. Holdet fandt tidligere ud af, at ved tilstrækkelig høje temperaturer, carbonatomerne i grafen korrelerede ikke, eller spejl, substratets atomer, muliggør ikke-epitaksial krystallinsk vækst.

Da koncentrationen af ​​gasblandingen i høj grad påvirker, hvor hurtigt den enkelte krystal vokser, at levere kulbrinteprækursoren nær den eksisterende kant af enkelt grafenkrystal kan fremme væksten mere effektivt end dannelsen af ​​nye klynger.

"I sådan et kontrolleret miljø, den hurtigst voksende orientering af grafenkrystaller overvælder de andre og bliver 'evolutionært udvalgt' til en enkelt krystal, selv på et polykrystallinsk substrat, uden at skulle matche substratets orientering, hvilket normalt sker med standard epitaksial vækst, " sagde Smirnov.

De fandt ud af, at for at sikre optimal vækst, det var nødvendigt at skabe en "vind", der hjælper med at eliminere klyngeformationerne. "Det var bydende nødvendigt, at vi skaber et miljø, hvor dannelsen af ​​nye klynger forud for vækstfronten blev fuldstændig undertrykt, og udvidelsen af ​​kun den voksende kant af den store grafenkrystal blev ikke forhindret, " sagde Vlassiouk. "Så, og først derefter, intet står i vejen for den 'fittest' krystallinske vækst, når substratet bevæger sig."

Teamets teoretikere, ledet af medforfatter Rice University professor Boris Yakobson, leverede en model, der forklarer, hvilke krystalorienteringer, der besidder de unikke egenskaber, der gør dem bedst egnede i løbet af overlevelse, og hvorfor valget af en vinder kan afhænge af substratet og forløberne.

"Hvis grafen eller andet 2D-materiale nogensinde udvikler sig til industriel skala, denne tilgang vil være afgørende, svarende til Czochralskis metode til silicium." sagde Yakobson. "Producenter kan være sikre på, at når en stor, rålag i waferstørrelse skæres til enhver enhedsfremstilling, hvert resulterende stykke vil være en kvalitets monokrystal. Dette potentielt enorme, en virkningsfuld rolle motiverer os til at udforske teoretiske principper for at være så klare som muligt."

Praktisk opskalering af grafen ved hjælp af teamets metode mangler at blive set, men forskerne mener, at deres evolutionære udvælgelse af enkeltkrystalvækstmetode også kan anvendes på lovende alternative 2D-materialer som bornitrid, også kendt som "hvid grafen, " og molybdændisulfid.