Cada capa atómica es delgada, resistente a las rasgaduras y estable. El grafeno es visto como el material del futuro. Es ideal, por ejemplo, para producir componentes electrónicos ultraligeros o componentes mecánicos altamente estables. Pero las capas de carbono delgadas como obleas son difíciles deEn la Universidad Técnica de Múnich TUM, Jürgen Kraus ha fabricado membranas de grafeno autoportantes y al mismo tiempo investigó y optimizó sistemáticamente el crecimiento de los cristales de grafeno.
El grafeno rompe todos los récords. Es el material más delgado y estable del mundo, ultraligero, a prueba de rasgaduras, eléctricamente conductor y altamente resistente. Desde que se descubrió en 2004, las estructuras bidimensionales compuestas de átomos de carbono se han alimentadola imaginación y el espíritu inventivo. Los autores de ciencia ficción consideran el material adecuado para construir cables para conducir ascensores espaciales. Los investigadores de materiales están experimentando con pantallas de grafeno, transistores y electrodos, que pretenden hacer que la electrónica del futuro sea más liviana, más estable y más larga.En la comunidad científica, las películas de grafeno altamente puro son muy codiciadas, ya que permiten envasar gases y líquidos de una manera ultradensa.
"Actualmente, sin embargo, todavía faltan los requisitos básicos. Existen varios procesos de fabricación que son adecuados para la producción en masa de grafeno. Sin embargo, este material no está libre de defectos. El grafeno de la más alta calidad cristalina no puede fabricarse de forma reproducible ende esta manera ", explica Sebastian Günther, profesor de Química Física en el TUM. Su equipo ahora ha logrado analizar, monitorear y optimizar el crecimiento de cristales de grafeno a través de la deposición química de vapor CVD para abreviar. Los hallazgos fueron publicados recientemente en el Annalen der Physik Anales de Física .
Teoría y advertencias en la práctica
Teóricamente, es muy fácil producir grafeno: todo lo que se necesita es un recipiente de vidrio calentado, un reactor, en el que se alimenta gas que contiene carbono como el metano, así como cobre como catalizador. A temperaturas de alrededor de1,000 grados Celsius, el metano se descompone en la superficie del cobre para producir hidrógeno y carbono. Mientras el hidrógeno abandona la superficie del cobre, los átomos de carbono se acumulan en la superficie de la película de cobre utilizada durante esta precipitación química del estado gaseoso, un procesollamado deposición química de vapor. Aquí, los átomos se reticulan y forman "copos" de grafeno, estructuras bidimensionales en forma de punto con la típica estructura en forma de panal. Lo que queda es el hidrógeno, que se puede extraer por succión.
Sin embargo, en la práctica, el diablo está en los detalles. "El mayor problema es que la estructura cristalina bidimensional a menudo no es completamente homogénea, porque el crecimiento comienza simultáneamente en múltiples ubicaciones", explica Jürgen Kraus, quien realizó los experimentos"A primera vista, parece que aparece una película continua de grafeno sobre el cobre, pero los panales hexagonales no están todos orientados de la misma manera, y la estructura se debilita en los lugares donde se encuentran".
Tales defectos pueden evitarse asegurando que la superficie del cobre esté tan libre de núcleos de cristalización como sea posible.
Con sus experimentos, el químico pudo demostrar que los contaminantes podrían eliminarse mejor con la ayuda de gas oxígeno, es decir, a través de la oxidación. Sin embargo, para evitar efectos secundarios indeseables, se debe tener cuidado para garantizar que el catalizador de cobresolo está expuesto a las cantidades mínimas posibles de oxígeno.
crucial para el éxito: concentración de gas y temperatura
En la segunda parte de sus experimentos, Kraus analizó cómo diversas presiones y temperaturas parciales afectan la formación de grafeno durante la deposición química de vapor. Si la composición de gas utilizada contiene demasiado hidrógeno, no crece en absoluto el grafeno; si tiene muy poco hidrógeno, las capas se vuelven demasiado gruesas. Solo cuando se seleccionan todos los parámetros de manera que el crecimiento se produce "lo suficientemente cerca" del equilibrio térmico, se forma grafeno altamente puro sin defectos en una red cristalina.
Control de calidad en Italia
Para verificar la calidad de los copos, los investigadores con sede en Munich viajaron a Italia con sus muestras. En el Centro de Investigación Elettra Sincrotrone Trieste, que está equipado con un acelerador de partículas en forma de anillo, pudieron químicamentey caracterizar estructuralmente las capas de grafeno con un microscopio especial, que tenía una alta resolución gracias a la radiación sincrotrón de alta energía.
"Los resultados del estudio de viabilidad fueron muy alentadores", informa Günther. "Las imágenes han demostrado que se pueden obtener resultados reproducibles seleccionando los parámetros durante la deposición química de vapor"
El mejor registro de calidad de los investigadores de TUM hasta el momento: copos de grafeno que miden un milímetro cuadrado que contiene diez mil millones de átomos de carbono alineados con precisión. "La ventaja sobre otros estudios no es tanto el" tamaño récord "alcanzado, sino que reside en el hecho de quelos copos se forman con una tasa de crecimiento predecible si se eligen los parámetros CVD correctos, lo que permite fabricar capas de grafeno altamente cristalinas cerradas con un grosor de un solo átomo para fabricarse en solo unas pocas horas ", resume Günther.
Mini películas para nuevas aplicaciones
El grafeno abre una amplia gama de nuevas aplicaciones, sobre todo en investigación básica: por ejemplo, las películas de grafeno ultradelgadas pueden, por ejemplo, retirarse del sustrato de cobre y usarse como películas de cobertura. Estas películas son adecuadas para atrapar líquidos encontenedor. Debido a que las películas son transparentes a los electrones lentos, las muestras pueden estudiarse mediante espectroscopía electrónica y microscopía, aunque estas técnicas se usan típicamente en vacíos ultraaltos o altos vacíos.
Con la ayuda de las películas, los investigadores también tienen la intención de investigar células vivas, electrodos cubiertos de líquido y catalizadores a alta presión mediante espectroscopía de fotoelectrones en el futuro. En este proceso, los fotones, que pueden penetrar en la película, transfieren susenergía a los electrones en la muestra, de modo que se liberen y pasen a través de la película hacia el exterior. Sus niveles de energía se pueden utilizar para sacar conclusiones con respecto a la composición química de la muestra.
Jürgen Kraus recibió el Premio de Investigación Evonik por su trabajo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Técnica de Munich TUM . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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