Lag-konstrueret stor-areal eksfoliering af grafen

Storskala fremstillingsprocesser, der sigter mod at producere todimensionelle materialer (2DM'er) til industrielle anvendelser er baseret på en konkurrence mellem kvalitet og produktivitet. Den top-down mekaniske spaltningsmetode tillader rene og perfekte 2DM'er, men de er en svag mulighed for fremstilling i stor skala. I en ny rapport i Videnskabens fremskridt , Ji-Yun Moon og et forskerhold i energisystemer, materialevidenskab, fysik og nanoarkitektonik i Storbritannien, Japan og Korea præsenterede en lag-konstrueret eksfolieringsteknik til at opnå storskala grafen på op til en millimeter med selektiv tykkelseskontrol. Ved hjælp af detaljeret spektroskopi og elektrontransportmålingsanalyse, holdet støttede den foreslåede spaltningsmekanisme (fragmentering). Den lag-konstruerede eksfolieringsmetode vil bane vejen for at udvikle en industriel proces for grafen og andre 2DM'er, til applikationer inden for elektronik og optoelektronik.

Nye metoder til at opnå monolagsgrafen

Materialeforskere adskilte først med succes monolagsgrafen fra tredimensionel (3-D) grafit ved hjælp af top-down mekanisk eksfoliering. Grafen er et unikt materiale på grund af dets fysiske og kemiske sammensætning, der har tiltrukket sig stor opmærksomhed for forskellige anvendelser inden for elektronik, optoelektronik og andre områder. I dette arbejde, Moon et al. introducerede en ny teknik kendt som layer-engineered exfoliation (LEE) for at opnå grafen med stort areal og samtidig kontrollere det selektive antal grafenlag i opsætningen. For at opnå dette, de afsatte en tynd film af guld (Au) på præ-spaltet grafit for selektivt at skrælle det øverste monolag af grafen af. De justerede derefter grænsefladesejheden af ​​grafen ved at afsætte forskellige metalfilm, herunder palladium (Pd), nikkel (Ni) og kobolt (Co) for at opnå grafen med stort areal med et kontrolleret antal lag. Mekanisk eksfolieret grafen er begrænset af sin størrelse, kontrol af udbytte og tykkelse, som ikke er egnet til industrielle anvendelser på nuværende tidspunkt. Forskere havde tidligere overvejet dampaflejring, men resultaterne var ikke enestående. Hvis en ny teknik kan overvinde konventionelle metoder til eksfoliering, forskere vil have en attraktiv, alternativ syntetisk tilgang til fremstilling af grafen.

Forskerne brugte spektroskopi og elektrontransportundersøgelser til at bekræfte fraværet af iboende defekter eller kemisk forurening i prøverne udviklet ved LEE-metoden. Eksfolieringsmetoden er en lovende tilgang til at bygge store 2-D heterostrukturer til kommercialisering. Under processen med eksfoliering af grafitflager, holdet bøjede overfladen ved hjælp af en ekstern stressor for at skabe en revne ved domænegrænser, som forplantede sig langs metal-grafen-grænsefladen for at forårsage eksfoliering af store områder på grund af resterende spænding. For eksempel, når holdet brugte en guld (Au) film som en stressfaktor, bøjningsenergien mellem Au-grafen og grafen-grafen tillod adskillelsen af ​​et monolag uden fysiske defekter. Moon et al. kvantitativt analyseret størrelsen og tætheden af ​​eksfolieret monolagsgrafen for at verificere pålideligheden af ​​teknikken. Resultaterne viste et gennemsnitligt areal, der nåede en 4, 200 gange stigning sammenlignet med grafen eksfolieret med konventionelle metoder. LEE-metoden viste også bedre resultater sammenlignet med standard mekanisk eksfoliering i forhold til densiteten af ​​monolaget. Metoden var reproducerbar og derfor pålidelig til at eksfoliere monolagsgrafen i en kontrolleret tilgang i laboratoriet.

Karakteriserer LEE grafen

Moon et al. udførte Raman-spektroskopimålinger på LEE-grafen for at understøtte deres foreslåede fragmenteringsmekanisme, som var følsom over for stress-induceret spaltning (fragmentering) af grafen. Resultaterne specificerede, hvordan trækbelastningen blev frigivet under LEE-processen, når grafen blev løftet for at genvinde den uberørte egenskab af normalt eksfolieret grafen. Ved hjælp af yderligere spektroskopi- og mikroskopiundersøgelser, holdet bekræftede kvaliteten af ​​LEE-grafen. For eksempel, atomic force microscopy (AFM) målinger viste ingen bemærkelsesværdige fysiske defekter på grafenoverfladen, såsom revner, folder eller rivning. Som resultat, de anerkendte, at metalfilmen effektivt beskyttede overfladen af ​​grafen mod organiske rester under LEE-processen.

Elektrontransportegenskaber i LEE-grafen

Forskerne krydstjekkede kvaliteten af ​​LEE-grafen, som det fremgår af spektroskopi- og mikroskopiresultater ved at udføre elektrontransportmålinger på monolagsgrafenenheden. De opnåede dette ved at indkapsle grafen mellem defektfrie hexagonale bornitrid (hBN) krystaller. hBN gav en flad og ren overflade til grafen og beskyttede materialet mod forurening efter eksfoliering. Den potentielle udsvingsværdi af grafenanordningen svarede til en tilstrækkeligt eksfolieret grafenanordning i tidligere arbejde, demonstrerer nøjagtigheden af ​​den enhed, der er udviklet i dette arbejde. Holdet beregnede enhedens elektronmobilitet (µ) ved 300 K, som oversteg størrelsen rapporteret for en grafen enhed i tidligere arbejde, samtidig med at den matcher mobiliteten af ​​en grafenenhed udviklet af standardeksfolieringsmetoden andetsteds. Arbejdet viste derfor, at LEE-teknikken ikke forringede kvaliteten af ​​grafen.

På denne måde Ji-Yun Moon og kollegaer brugte og gennemgik LEE (layer-engineered exfoliation) tilgangen til at opnå højdensitetsgrafen med et ekstraordinært stort areal fra naturlig grafit. For at opnå dette, de brugte forskellige metalaflejringsteknikker til at kontrollere dybden af ​​fragmentering og producere lag-konstrueret grafen i stor skala. Den nye metode afveg fra standardmetoden til eksfoliering, som kun tillod en enkelt skrælningsproces. Forskerne opnåede det store areal af grafen fra den samme grafitflage ved at gentage afsætnings- og riveprocessen af ​​metalfilmen. Arbejdet viste, hvordan lag-konstrueret grafen kan eksfolieres over et stort område, bane vejen for storskalaproduktion til fremtidige industrielle anvendelser af 2-D heterostrukturer.

© 2020 Science X Network