Veldesignede substrater gør stor enkeltkrystal bi-/tri-lags grafen mulig

Forskere fra Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) i Institute for Basic Science (IBS, Sydkorea) har rapporteret i Natur nanoteknologi fremstilling og brug af enkeltkrystal kobber-nikkel-legeringsfoliesubstrater til vækst af store arealer, enkeltkrystal tolags og trelags grafenfilm.

Væksten af ​​store grafenfilm med et præcist kontrolleret antal lag og stablingsordrer kan åbne nye muligheder inden for elektronik og fotonik, men er fortsat en udfordring. Denne undersøgelse viste det første eksempel på syntesen af ​​to- og trelags grafenplader større end en centimeter, med lag stablet op på en bestemt måde, nemlig AB- og ABA-stabling.

"Dette arbejde leverer materialer til fremstilling af grafenenheder med nye funktioner, der endnu ikke er blevet realiseret og kan give nye fotoniske og optoelektroniske og andre egenskaber, " forklarer Rodney S. Ruoff, CMCM direktør, Distinguished professor ved Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) og førende forfatter af denne undersøgelse. Medforfatter og professor Won Jong Yoo fra Sungkyunkwan University bemærker, at "dette baner vejen for studiet af nye elektriske transportegenskaber af dobbeltlags- og trelagsgrafen."

For eksempel, den samme IBS-forskergruppe og samarbejdspartnere udgav for nylig en anden artikel i Natur nanoteknologi viser konverteringen af ​​AB-stablet tolags grafenfilm, dyrket på kobber/nikkel (111) legeringsfolier (Cu/Ni(111) folier), til et diamantlignende ark, kendt som diamane. Medforfatter Pavel V. Bakharev bemærker, at:"For mindre end et år siden, vi producerede monolag med fluorerede diamanter, F-diamane, ved fluorering af nøjagtigt de AB-stablede tolags grafenfilm beskrevet i dette nye papir. Nu giver muligheden for at producere dobbeltlagsgrafen af ​​en større størrelse fornyet spænding og viser, hvor hurtigt dette felt udvikler sig."

Det rigtige valg af substrat er afgørende for den korrekte vækst af grafen. Folier fremstillet udelukkende af kobber begrænser væksten af ​​dobbeltlagsgrafen og favoriserer ensartet monolagsvækst. Det er muligt at opnå flerlags grafenplader på nikkelfilm, men disse er ikke ensartede, og har tendens til at have små "pletter" med forskellige tykkelser. Endelig, de kommercielt tilgængelige folier, der indeholder både nikkel og kobber, er ikke ideelle. Derfor, IBS-forskere forberedte 'hjemmelavede' enkeltkrystal Cu/Ni(111) folier med ønskede egenskaber, bygge videre på en teknik rapporteret af gruppen i Videnskab i 2018. Nikkelfilm galvaniseres på kobber(111)-folier, så nikkel og kobber interdiffunderer ved opvarmning og giver en ny enkeltkrystalfolie, der indeholder begge elementer i justerbare forhold. Ruoff foreslog denne metode og overvågede Ming Huangs evalueringer af de bedste koncentrationer af nikkel for at opnå ensartede grafenplader med det ønskede antal lag.

IBS-forskere dyrkede to- og trelags grafenplader på Cu/Ni(111)-folier ved kemisk dampaflejring (CVD). Huang opnåede AB-stablede tolags grafenfilm på flere kvadratcentimeter, dækker 95 procent af substratarealet, og ABA-stablet trelagsgrafen med mere end 60 procent arealdækning. Dette repræsenterer den første vækst af højdækkende ABA-stablet trelagsgrafen over et stort område og den bedste kvalitet opnået for AB-stablet dobbeltlagsgrafen hidtil.

Ud over omfattende spektroskopiske og mikroskopiske karakteriseringer, forskerne målte også den elektriske transport (bærermobilitet og båndgab-justering) og termisk ledningsevne af den nyligt syntetiserede grafen. Tolagsgrafenfilmene i centimeterskala viste en god termisk ledningsevne, så højt som ~2300 W/mK (sammenlignelig med eksfolierede tolags grafenflager), og mekanisk ydeevne (stivhed på 478 gigapascal for Youngs modul, og 3,31 gigapascal for brudstyrken).

Holdet undersøgte derefter vækststablingsmekanismen og opdagede, at den følger den såkaldte "omvendte bryllupskage"-sekvens, da de nederste lag er placeret efter det øverste. "Vi viste med tre uafhængige metoder, at det andet lag til tolagsgrafen, og det andet og tredje lag af trelagsarket vokser under et kontinuerligt toplag. Disse metoder kan yderligere bruges til at studere strukturen og stablingssekvensen af ​​andre 2-D tyndfilmsmaterialer, " bemærker Huang.

Ruoff bemærker, at disse teknikker til at syntetisere og teste ultratynde film i stor skala kunne stimulere verdensomspændende interesse for yderligere at eksperimentere med enkeltkrystal Cu/Ni-legeringsfolier, og endda i at udforske fremstilling og brug af andre enkeltkrystallegeringsfolier.