Un equipo internacional de científicos ha desarrollado una nueva forma de producir grafeno de una sola capa a partir de un precursor simple: el eteno, también conocido como etileno, la molécula de alqueno más pequeña, que contiene solo dos átomos de carbono.
Al calentar el eteno por etapas a una temperatura de poco más de 700 grados Celsius, más caliente de lo que se había intentado antes, los investigadores produjeron capas puras de grafeno en un sustrato de catalizador de rodio. El calentamiento gradual y la temperatura más alta superaron los desafíos vistosen esfuerzos anteriores para producir grafeno directamente a partir de precursores de hidrocarburos.
Debido a su menor costo y simplicidad, la técnica podría abrir nuevas aplicaciones potenciales para el grafeno, que tiene propiedades físicas y electrónicas atractivas. El trabajo también proporciona un mecanismo novedoso para la autoevolución de los precursores de conglomerados de carbono cuya coalescencia difusional resulta en laformación de las capas de grafeno.
La investigación, informada como el artículo de portada en la edición del 4 de mayo de la Revista de Química Física C , fue realizado por científicos del Instituto de Tecnología de Georgia, Technische Universität München en Alemania y la Universidad de St. Andrews en Escocia. En los Estados Unidos, la investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU. Y elOficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU.
"Dado que el grafeno está hecho de carbono, decidimos comenzar con el tipo más simple de moléculas de carbono y ver si podíamos ensamblarlas en grafeno", explicó Uzi Landman, profesor de regentes y presidente de FE Callaway en la Georgia Tech Schoolde Física que dirigió el componente teórico de la investigación: "A partir de pequeñas moléculas que contienen carbono, terminas con piezas macroscópicas de grafeno".
El grafeno ahora se produce utilizando una variedad de métodos, que incluyen la deposición química de vapor, la evaporación de silicio a partir de carburo de silicio, y la simple exfoliación de láminas de grafeno a partir de grafito. Varios esfuerzos anteriores para producir grafeno a partir de precursores de hidrocarburos simples habían resultado en gran medida infructuosos,creando hollín desordenado en lugar de grafeno estructurado.
Guiados por un enfoque teórico, los investigadores razonaron que el camino del eteno al grafeno implicaría la formación de una serie de estructuras a medida que los átomos de hidrógeno dejan las moléculas de eteno y los átomos de carbono autoensamblados en el patrón de panal que caracteriza al grafeno.La naturaleza de las transformaciones catalizadas en la superficie de rodio inducidas térmicamente de eteno a grafeno, los grupos experimentales en Alemania y Escocia elevaron la temperatura del material en etapas bajo vacío ultra alto. Utilizaron microscopía de túnel de barrido STM, desorción térmica programada TPD y espectroscopía de pérdida de energía electrónica vibracional de alta resolución HREELS para observar y caracterizar las estructuras que se forman en cada paso del proceso.
Al calentar, el eteno adsorbido en el catalizador de rodio evoluciona a través de reacciones de acoplamiento para formar hidrocarburos poliaromáticos unidimensionales segmentados 1D-PAH. El calentamiento adicional conduce a un cruce de dimensionalidad - estructuras de una a dos dimensiones - y procesos de reestructuración dinámicos enla cadena de PAH termina con un desprendimiento activado posterior de grupos de carbono de tamaño selectivo, siguiendo un mecanismo revelado a través de simulaciones mecánicas cuánticas de primeros principios. Finalmente, la coalescencia de difusión limitante de la velocidad de estos precursores de grupo dinámicamente autoevolucionados conduce a la condensación en grafeno conalta pureza.
En la etapa final antes de la formación de grafeno, los investigadores observaron grupos en forma de disco casi redondos que contienen 24 átomos de carbono, que se extienden para formar la red de grafeno. "La temperatura debe elevarse dentro de ventanas de rangos de temperatura para permitir el requisitoestructuras para formarse antes de la siguiente etapa de calentamiento ", explicó Landman." Si se detiene a ciertas temperaturas, es probable que termine con la coquización ".
Un componente importante es el proceso de deshidrogenación que libera los átomos de carbono para formar formas intermedias, pero parte del hidrógeno reside temporalmente en, o cerca de, la superficie del catalizador metálico y ayuda en el proceso de ruptura de enlaces posterior que conduce al desprendimiento delLos precursores de los conglomerados de 24 carbonos ". Durante todo el proceso, hay una pérdida de hidrógeno de los conglomerados", dijo Landman. "Al elevar la temperatura esencialmente 'hierve' el hidrógeno de la estructura de carbono en soporte de metal en evolución, que culmina engrafeno "
La estructura de grafeno resultante se adsorbe en el catalizador. Puede ser útil unida al metal, pero para otras aplicaciones, habrá que desarrollar una forma de eliminarlo. Landman agregado: "Esta es una nueva ruta al grafeno, yla posible aplicación tecnológica aún no se ha explorado "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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