El grafeno es el material del futuro. Durante años, investigadores y tecnólogos han estado prediciendo la utilidad de las láminas de carbono puro de un átomo de espesor en todo, desde pantallas táctiles avanzadas y semiconductores hasta baterías de larga duración y energía solar de próxima generacióncélulas.
Pero las propiedades intrínsecas únicas del grafeno conductividades supremas eléctricas y térmicas y notable movilidad de los electrones, por nombrar solo algunas solo pueden realizarse plenamente si se cultiva sin defectos que interrumpan el patrón de panal de los átomos de carbono unidos.
Un equipo dirigido por la Científica de Materiales Anirudha Sumant con el Centro del Laboratorio Nacional de Materiales a Nanoescala CNM y la División de Ciencia de Materiales del Departamento de Energía de EE. UU. DOE, junto con colaboradores de la Universidad de California-Riverside, ha desarrollado un método paracultivar grafeno que contiene relativamente pocas impurezas y cuesta menos hacerlo, en un tiempo más corto y a temperaturas más bajas en comparación con los procesos ampliamente utilizados para hacer grafeno en la actualidad.
El trabajo teórico dirigido por el nanocientífico de Argonne Subramanian Sankaranarayanan en el CNM ayudó a los investigadores a comprender los procesos a nivel molecular que subyacen al crecimiento del grafeno.
"He estado tratando con todas estas técnicas diferentes de cultivo de grafeno, y nunca se ve una superficie tan uniforme y lisa"
La nueva tecnología aprovecha los diamantes ultrananocristalinos UNCD, un tipo de diamante sintético que los investigadores de Argonne han sido pioneros a través de años de investigación. UNCD sirve como sustrato físico o superficie sobre la cual crece el grafeno, y la fuente de los átomos de carbono queforma una hoja de grafeno producida rápidamente.
"Cuando vi por primera vez la [micrografía electrónica de barrido] y vi esta bonita capa uniforme y muy completa, fue increíble", dijo Diana Berman, la primera autora del estudio y ex asociada de investigación postdoctoral que trabajó con Sumant y esahora profesor asistente en la Universidad del Norte de Texas. "Había estado tratando con todas estas técnicas diferentes de cultivo de grafeno, y nunca se ve una superficie tan uniforme y lisa".
Los protocolos actuales de fabricación de grafeno introducen impurezas durante el proceso de grabado en sí, que implica agregar ácido y polímeros adicionales, y cuando se transfieren a un sustrato diferente para su uso en electrónica.
"Las impurezas introducidas durante este grabado y el paso de transferencia afectan negativamente las propiedades electrónicas del grafeno", dijo Sumant. "Así que no obtienes las propiedades intrínsecas del grafeno cuando realmente haces esta transferencia".
El equipo descubrió que el grafeno de una sola capa y un solo dominio se puede cultivar lateralmente en agujeros de tamaño micrónico, lo que los hace completamente independientes es decir, separados del sustrato subyacente. Esto hace posible explotar lo intrínsecopropiedades del grafeno mediante la fabricación de dispositivos directamente sobre el grafeno independiente.
El nuevo proceso también es mucho más rentable que los métodos convencionales basados en el uso de carburo de silicio como sustrato. Sumant dice que las obleas de carburo de silicio de 3 a 4 pulgadas utilizadas en este tipo de métodos de crecimiento cuestan alrededor de $ 1,200, mientras que UNCDlas películas en obleas de silicio cuestan menos de $ 500 para hacer.
El método del diamante también toma menos de un minuto para cultivar una hoja de grafeno, donde el método convencional toma el orden de las horas.
La alta calidad de grafeno fue confirmada por los coautores de UC Riverside, Zhong Yan y Alexander Balandin, al fabricar transistores de efecto de campo de puerta superior a partir de este material y midiendo su movilidad de electrones y la concentración del portador de carga.
"Es bien sabido que ciertos metales, como el níquel y el hierro, disuelven el diamante a temperaturas elevadas, y el mismo proceso se ha utilizado durante muchos años para pulir el diamante", dijo Sumant. Él y su equipo utilizaron esta propiedad para emplearníquel al convertir la capa superior de diamante en carbono amorfo, pero no estaba claro cómo estos átomos de carbono liberados se convirtieron instantáneamente en grafeno de alta calidad.
Después del avance inicial de Sumant y Berman en el cultivo de grafeno directamente en UNCD, Sankaranarayanan y sus posdoctorados Badri Narayanan y Sanket Deshmukh, científicos de materiales computacionales en el CNM utilizaron recursos en el Argonne Leadership Computing Facility ALCF para ayudar al equipo a comprender mejor el mecanismodel proceso de crecimiento que subyace a este interesante fenómeno utilizando simulaciones dinámicas moleculares reactivas.
Las simulaciones por computadora desarrolladas por Narayanan, Deshmukh y Sankaranarayanan mostraron que cierta orientación cristalográfica del níquel-111 favorece la nucleación y el rápido crecimiento posterior del grafeno; esto se confirmó luego experimentalmente.
Estas simulaciones a gran escala también mostraron cómo se forma el grafeno. Los átomos de níquel se difunden en el diamante y destruyen su orden cristalino, mientras que los átomos de carbono de este sólido amorfo se mueven a la superficie del níquel y forman rápidamente estructuras en forma de panal, lo que resulta en defectos en su mayoríasin grafeno.
El níquel luego se filtró a través de los finos granos cristalinos del UNCD, se hundió y eliminó la necesidad de que el ácido disuelva el exceso de átomos de metal de la superficie superior.
"Es como encontrarse con un buen samaritano en un lugar desconocido que te ayuda, hace su trabajo y se va en silencio sin dejar rastro", dijo Sumant.
"El poder predictivo comprobado de nuestras simulaciones nos coloca en una posición ventajosa para permitir el descubrimiento rápido de nuevas aleaciones catalíticas que median el crecimiento de grafeno de alta calidad en dieléctricos y se alejan por sí mismas cuando se completa el crecimiento", agregó Narayanan.
Además de la utilidad para hacer grafeno mínimamente defectuoso, listo para la aplicación para cosas como sensores de vibración de baja frecuencia, transistores de radiofrecuencia y mejores electrodos para la purificación de agua, Berman y Sumant dicen que el equipo de Argonne ya ha obtenido tres patentes derivadas desu nuevo método de crecimiento de grafeno.
Los investigadores ya lograron una colaboración con el Instituto Sueco de Física Espacial que involucra a la Agencia Espacial Europea para su programa Jupiter Icy Moons Explorer JUICE para desarrollar sondas recubiertas de grafeno que pueden ayudar a los vehículos exploratorios a detectar las propiedades del plasma que rodea las lunas deJúpiter.
Más cerca de casa, el equipo también ha creado agujas de diamantes y grafeno para que los investigadores de la Universidad de Carolina del Norte las usen en aplicaciones de biosensores.
Los investigadores de Argonne ahora están ajustando el proceso, ajustando la temperatura utilizada para catalizar la reacción y ajustando el grosor del sustrato de diamante y la composición de la película metálica que facilita el crecimiento del grafeno, para optimizar la reacción ypara estudiar mejor la física en la interfaz de grafeno-diamante.
"Estamos tratando de ajustar esto más cuidadosamente para tener una mejor comprensión de qué condiciones conducen a la calidad del grafeno que estamos viendo", dijo Berman.
Otros autores de Argonne involucrados en el estudio fueron Alexander Zinovev y Daniel Rosenmann. El artículo, "Transformación rápida inducida por metal de diamante en grafeno de una o varias capas en escala de oblea", se publica en Comunicaciones de la naturaleza .
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Argonne . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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