Grafener går nu monolag og enkelt krystallinsk

IBS-CMCM-forskere har rapporteret om et virkelig enkelt lag (dvs. adlayer-fri) grafenfilm med stort område på kobberfolier med stort område. De raffinerede vækstmetoden for kemisk dampaflejring (CVD) ved at fjerne alle kulstofurenheder inde i kobberfolierne, som grafen dyrkes på. Denne uniform, "perfekt" enkelt lag, enkeltkrystalgrafen forventes at finde anvendelse som et ultratyndt støttemateriale til højopløsningstransmissionselektronmikroskopi-billeddannelse, og i optiske enheder. Også som en passende grafen for at opnå ekstremt ensartet funktionalisering, hvilket fører til mange andre applikationer, især til sensorer af forskellige typer.

Direktør Rodney Ruoffs forskningsgruppe fra Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) inden for Institute for Basic Science (IBS) ved Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) har rapporteret et virkelig enkelt lag (dvs. adlayer-fri) grafenfilm med stort område på kobberfolier med stort område. Dette kan virke som den seneste i en række af tilsyneladende lignende erklæringer om enkeltlagsgrafen. Imidlertid, denne præstation adskiller sig fra andre tusindvis af tidligere publikationer ved, at ingen af ​​dem havde beskrevet ægte enkeltlagsgrafen over et stort område. Adlayers (to- eller flerlagsregioner) har altid været til stede i sådanne film.

IBS -forskere forfinede vækstmetoden til kemisk dampaflejring (CVD) ved at fjerne alle kulstofforureninger inde i kobberfolierne, hvorpå der dyrkes grafen. CVD på metalfolier (især kobberfolier) er i øjeblikket den mest lovende vej til skalerbar og reproducerbar syntese af grafenfilm med stort areal af høj kvalitet. Holdet undersøgte, hvorfor "adlayers" optrådte i grafenfilmen dyrket på kobberfolier og fandt ud af, at kulstofurenhederne inde i folien direkte fører til kernedannelse og vækst af adlayer. (Adlayers er områder i filmen, hvor der er 2 lag eller 3 lag til stede - flerlags "patches, " det er.)

"Vi opdagede, at de kommercielle kobberfolier har 'overskydende kulstof' især nær overfladen - til en dybde på omkring 300 nm, ved at bruge time-of-flight sekundær ion massespektrometri og forbrændingsanalyse. Fra en diskussion med en teknisk ekspert i Jiangxi Copper Corporation Limited, en af ​​verdens største leverandører af kobberfolier, vi lærte, at kulstoffet er indlejret i kobberfolien under fremstilling, sandsynligvis fra kulbrintebaserede olie(r), der bruges til at smøre valser, som kobberfolien kommer i kontakt med ved de høje rulletemperaturer, " sagde Dr. Da Luo, første forfatter til artiklen. Efter fuldstændig fjernelse af dette kulstof ved udglødning under H2 ved 1060 grader Celsius, de var i stand til at opnå adlayer-fri og dermed virkelig enkeltlags grafenfilm.

Ved at anvende den samme metode, IBS-forskerne opnåede også en adlayer-fri enkeltlags- og enkeltkrystalgrafenfilm på en enkeltkrystal Cu-folie. En af de første forfattere Meihui Wang forklarede, "Vi løste således to problemer, der vedvarende har været til stede i tidligere synteser af CVD-grafenfilm (adlayers og korngrænser (GBs)) på én gang." Ja, opnå perfekt ensartethed i antallet af lag over et stort område (enkelt- eller dobbeltlag, for eksempel) kan bruges til at sikre en ensartet enhedsydelse. Adlayer-regioner adskiller sig i, f.eks., tæthed og størrelse, når de er til stede i de aktive områder af enheder. Ud over adlayers, GB'er er til stede i polykrystallinske grafenfilm fremstillet af CVD, hvor grafenøer med forskellige krystallografiske orienteringer går sammen for at fuldende filmen. Tilstedeværelsen af ​​GB'er sænker bærerens mobilitet og termisk ledningsevne, og reducerer den mekaniske styrke.

Stadig, videnskabsmændene stod tilbage med et fascinerende træk i deres enkeltkrystalfilm:Denne enkeltkrystalgrafen indeholder meget orienterede parallelle "folder", der er centimeter lange, omkring hundrede nanometer i bredden, og adskilt med 20 til 50 mikrometer. Ligesom adlayers og GB'er, folder blev observeret at signifikant reducere bærermobiliteten af ​​grafen. For at fjerne sådanne spredningseffekter af adlayers, GBs og folder, de teammønstrede felteffekttransistorer i området, der ligger mellem to tilstødende folder og med transistorerne parallelle med folderne. I modsætning til folder fordelt kvasi-tilfældigt i den polykrystallinske grafenfilm, folderne er meget justeret i det store område af enkeltkrystal grafenfilm. Dette gør det nemt at fremstille integrerede højtydende enheder fra områderne mellem folderne. Wang forklarede, "Området mellem to tilstødende folder er" rent "uden folder, adlayers, eller GB'er. Dette gjorde det muligt for enheden at have meget høj elektron- og hulmobilitet. Felteffekttransistorerne viser meget høje rumtemperaturbærermobilitetsværdier på omkring 1,0 x 10 ⁴ cm ² V ^-1 s ^-1 . En sådan høj mobilitet "oversættes" til forskellige nyttige anordninger med høj ydeevne."

Direktør Ruoff bemærkede, "Vores tilgang til adlayer-fri enkeltkrystalgrafen med stort område er et gennembrud. Denne uniform, 'perfekt' enkelt lag, enkeltkrystalgrafen forventes at finde anvendelse som et ultratyndt støttemateriale til højopløsningstransmissionselektronmikroskopi-billeddannelse, og i optiske enheder. Også som en passende grafen til at opnå ekstremt ensartet funktionalisering, hvilket fører til mange andre applikationer, især til sensorer af forskellige typer. Jeg vil også gerne bemærke, at vi satte stor pris på de stærke bidrag fra medforfattere fra UNIST, fra HKUST, og fra SKKU. "Denne forskning blev støttet af Institute for Basic Science, og er blevet offentliggjort i tidsskriftet Avancerede materialer .