Oprettelse af den mest perfekte grafen

Et team af forskere ledet af direktør Rod Ruoff ved Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) i Institute for Basic Science (IBS), herunder kandidatstuderende ved Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), har opnået vækst og karakterisering af stort område, enkelt-krystal grafen, der ikke har nogen rynker, folder, eller adlayers. Det kan være den mest perfekte grafen, der er blevet dyrket og karakteriseret til dato. Forskningen er blevet publiceret i tidsskriftet Natur .

Direktør Ruoff siger, "Dette banebrydende gennembrud skyldtes mange medvirkende faktorer, inklusiv menneskelig opfindsomhed og CMCM-forskernes evne til reproducerbart at fremstille enkeltkrystal Cu-Ni(111)-folier med stort areal, hvorpå grafenen blev dyrket ved kemisk dampaflejring (CVD) under anvendelse af en blanding af ethylen med brint i en strøm af argongas." Student Meihui Wang, Dr. Ming Huang, og Dr. Da Luo sammen med Ruoff foretog en række eksperimenter med dyrkning af enkeltkrystal- og enkeltlagsgrafen på sådanne "hjemmelavede" Cu-Ni(111)-folier under forskellige temperaturer.

Holdet havde tidligere rapporteret enkelt-krystal og adlayer-fri film af grafen, som blev dyrket ved hjælp af methan ved temperaturer på ~1320 Kelvin (K) grader på Cu(111) folier. Adlayers henviser til små "øer" af regioner, der har et andet lag af grafen til stede. Imidlertid, disse film har altid indeholdt lange "folder", som er konsekvensen af ​​høje rynker, der dannes, når grafenen afkøles fra væksttemperaturen ned til stuetemperatur. Dette resulterer i en uønsket reduktion i ydeevnen af ​​grafenfelteffekttransistor (GFET), hvis "folden" er i det aktive område af GFET. Folderne indeholder også "revner", der sænker grafenens mekaniske styrke.

Den næste spændende udfordring var således at eliminere disse folder.

CMCM-forskere implementerede først en række 'cyklende' eksperimenter, der involverede at "cykle" temperaturen umiddelbart efter dyrkning af grafen ved 1320 K. Disse eksperimenter viste, at folderne dannes ved eller over 1, 020 K under afkølingsprocessen. Efter at have lært dette, holdet besluttede at dyrke grafen på Cu-Ni(111) folier ved flere forskellige temperaturer omkring 1, 020 K, hvilket førte til en opdagelse, at stort område, høj kvalitet, fold-fri, og adlayer-fri enkeltkrystal grafenfilm kan dyrkes i et temperaturområde mellem 1, 000 K og 1, 030 K. "Denne foldfri grafenfilm dannes som en enkelt krystal over hele vækstsubstratet, fordi den viser en enkelt orientering over et stort område lavenergi elektrondiffraktion (LEED) mønstre, " bemærkede SEONG Won Kyung, en seniorforsker i CMCM, der installerede LEED-udstyret i centret. GFET'er blev derefter mønstret på denne enkelt-krystal fold-fri grafen i en række forskellige retninger af UNIST kandidatstuderende Yunqing Li. Disse GFET'er viste bemærkelsesværdigt ensartet ydeevne med en gennemsnitlig rumtemperatur elektron- og hulmobilitet på 7,0 ± 1,0 × 10 ³ cm ² V ^-1 s ^-1 .

Li siger, "Sådan bemærkelsesværdigt ensartet ydeevne er mulig, fordi den foldefri grafenfilm er en enkelt krystal med stort set ingen ufuldkommenheder."

Vigtigt, forskerholdet var i stand til at opnå "opskalering" af grafenproduktionen ved hjælp af denne metode. Grafenen blev med succes dyrket på 5 folier (dimension 4 cm x 7 cm) samtidigt i en hjemmebygget kvartsovn med en diameter på 6 tommer. "Vores metode til at dyrke foldfri grafenfilm er meget reproducerbar, hvor hver folie giver to identiske stykker grafenfilm af høj kvalitet på begge sider af folien, " og "Ved at bruge den elektrokemiske bobleoverførselsmetode, grafen kan delamineres på cirka et minut, og Cu-Ni(111)-folien kan hurtigt klargøres til næste vækst-/overførselscyklus, " bemærker Meihui Wang. Ming Huang tilføjer, "Da vi testede vægttabet af Cu-Ni(111)-folier efter fem kørsler med vækst og overførsler, nettotabet var kun 0,0001 gram. Dette betyder, at vores vækst- og overførselsmetoder ved hjælp af Cu-Ni(111) kan udføres gentagne gange, i det væsentlige på ubestemt tid."

I processen med at opnå foldfri enkeltkrystalgrafen, forskerne opdagede også årsagerne bag dannelsen af ​​disse folder. TEM-billeddannelse i høj opløsning blev udført af studerende CHOE Myeonggi og prof. LEE Zonghoon (en gruppeleder i CMCM og professor ved UNIST) for at observere tværsnittene af prøverne vokset over 1, 040 K. De opdagede, at deadhæsionen, som er årsagen til folderne, initieres ved "bundet trinkant"-områderne mellem enkeltkrystal Cu-Ni(111) plateauer. "Denne deadhæsion ved de bundte trinkantområder udløser dannelsen af ​​grafenfolder vinkelret på trinkantretningen, " bemærkede co-korresponderende forfatter Luo. Ruoff bemærker endvidere, at "Vi opdagede, at trinbundning af en Cu-Ni(111) folieoverflade pludselig forekommer ved ca. 1, 030 K, og denne 'overfladerekonstruktion' er grunden til, at den kritiske væksttemperatur for foldfri grafen er på ~1, 030 K eller derunder."

En sådan foldefri enkeltkrystal-grafenfilm med stort område giver mulighed for ligetil fremstilling af integrerede højtydende enheder orienteret i enhver retning over hele grafenfilmen. Disse enkelt-krystal grafen film vil være vigtige for yderligere fremskridt inden for grundlæggende videnskab, som vil føre til nye ansøgninger i elektronisk, fotonisk, mekanisk, termisk, og andre områder. Den næsten perfekte grafen er også nyttig til stabling, enten med sig selv og/eller med andre 2D-materialer, for yderligere at udvide rækken af ​​sandsynlige applikationer. Da Cu-Ni(111)-folierne kan bruges gentagne gange, og at grafenen kan overføres til andre substrater på mindre end et minut, den skalerbare fremstilling ved hjælp af denne proces er også meget lovende.