Ingeniører forbinder oxygen med grafenkvalitet og udvikler nye teknikker til reproducerbar fremstilling af materialet i skala

Grafen er blevet kaldt "det 21. århundredes vidundermateriale." Siden dets opdagelse i 2004 er materialet - et enkelt lag af kulstofatomer - blevet udråbt for sit væld af unikke egenskaber, som inkluderer ultrahøj elektrisk ledningsevne og bemærkelsesværdig trækstyrke. Det har potentialet til at transformere elektronik, energilagring, sensorer, biomedicinske enheder og mere. Men grafen har haft en beskidt lille hemmelighed:det er beskidt.

Nu er ingeniører ved Columbia University og kolleger ved University of Montreal og National Institute of Standards and Technology klar til at rydde op med en iltfri kemisk dampaflejring (OF-CVD) metode, der kan skabe grafenprøver af høj kvalitet på skala.

Deres arbejde, udgivet 29. maj i Nature, viser direkte, hvordan sporilt påvirker væksthastigheden af ​​grafen og identificerer sammenhængen mellem oxygen og grafenkvalitet for første gang.

"Vi viser, at eliminering af stort set al ilt fra vækstprocessen er nøglen til at opnå reproducerbar, højkvalitets CVD-grafensyntese," sagde seniorforfatter James Hone, Wang Fong-Jen professor i maskinteknik ved Columbia Engineering. "Dette er en milepæl i retning af storstilet produktion af grafen."

Grafen er historisk blevet syntetiseret på en af ​​to måder. Der er "scotch-tape"-metoden, hvor individuelle lag skrælles fra en masseprøve af grafit (det samme materiale, som du finder i blyantbly) ved hjælp af husholdningstape.

Sådanne eksfolierede prøver kan være ganske rene og fri for urenheder, der ellers ville forstyrre grafens ønskelige egenskaber. De har dog en tendens til at være for små – kun et par titusvis af mikrometer på tværs – til anvendelser i industriel skala og dermed bedre egnet til laboratorieforskning.

For at flytte fra laboratorieudforskninger til applikationer i den virkelige verden udviklede forskere for omkring 15 år siden en metode til at syntetisere grafen med stort område. Denne proces, kendt som CVD-vækst, passerer en kulstofholdig gas, såsom methan, over en kobberoverflade ved en temperatur, der er høj nok (ca. 1.000°C), til at metanen går i stykker, og kulstofatomerne omarrangeres og danner en enkelt bikage. formet lag af grafen.

CVD-vækst kan skaleres op for at skabe grafenprøver, der er centimeter eller endda meter store. Men på trods af mange års indsats fra forskningsgrupper rundt om i verden, har CVD-syntetiserede prøver lidt af problemer med reproducerbarhed og variabel kvalitet.

Problemet var ilt. I tidligere publikationer havde medforfatterne Richard Martel og Pierre Levesque fra Montreal vist, at spormængder af ilt kan bremse vækstprocessen og endda ætse grafenen væk. Så for omkring seks år siden designede og byggede Christopher DiMarco, GSAS'19, et CVD-vækstsystem, hvor mængden af ​​oxygen, der blev introduceret under aflejringsprocessen, kunne kontrolleres omhyggeligt.

Nuværende ph.d. studerende Xingzhou Yan og Jacob Amontree fortsatte DiMarcos arbejde og forbedrede vækstsystemet yderligere. De fandt ud af, at når spor ilt blev elimineret, var CVD-væksten meget hurtigere - og gav de samme resultater hver gang. De undersøgte også kinetikken af ​​iltfri CVD-grafenvækst og fandt ud af, at en simpel model kunne forudsige væksthastigheden over en række forskellige parametre, herunder gastryk og temperatur.

Kvaliteten af ​​de OF-CVD-dyrkede prøver viste sig stort set identisk med den af ​​eksfolieret grafen. I samarbejde med kolleger i Columbias fysikafdeling viste deres grafen slående beviser for den fraktionelle kvante Hall-effekt under magnetiske felter, et kvantefænomen, der tidligere kun var blevet observeret i todimensionelle elektriske systemer af ultrahøj kvalitet.

Herfra planlægger teamet at udvikle en metode til rent at overføre deres højkvalitetsgrafen fra metalvækstkatalysatoren til andre funktionelle substrater såsom silicium – den sidste brik i puslespillet for at drage fuld fordel af dette vidundermateriale.

"Vi blev begge fascineret af grafen og dets potentiale som studerende," sagde Amontree og Yan. "Vi udførte utallige eksperimenter og syntetiserede tusindvis af prøver i løbet af de sidste fire år af vores Ph.D.s. At se denne undersøgelse endelig blive til virkelighed er en drøm, der går i opfyldelse."

Flere oplysninger: Reproducerbar grafensyntese ved iltfri kemisk dampaflejring, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07454-5. www.nature.com/articles/s41586-024-07454-5

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Columbia University School of Engineering and Applied Science