Un nuevo método para producir películas de grafeno monocristalinas grandes de monocapa de más de un pie de largo se basa en aprovechar una competencia de "supervivencia del más apto" entre cristales. La novedosa técnica, desarrollada por un equipo liderado por el Departamento de EnergíaEl Laboratorio Nacional Oak Ridge, puede abrir nuevas oportunidades para cultivar los materiales bidimensionales de alta calidad necesarios para aplicaciones prácticas tan esperadas.
Es común hacer capas delgadas de grafeno y otros materiales 2D en una escala requerida para fines de investigación, pero deben fabricarse a una escala mucho mayor para que sean útiles.
El grafeno se promociona por su potencial de resistencia sin precedentes y alta conductividad eléctrica y se puede hacer a través de enfoques bien conocidos: separando las escamas de grafito, el material suave plateado que se encuentra en los lápices en capas de un átomo de espesor, o creciendoátomo por átomo en un catalizador de un precursor gaseoso hasta que se formen capas ultrafinas.
El equipo de investigación dirigido por ORNL utilizó el último método, conocido como deposición química de vapor o CVD, pero con un giro. En un estudio publicado en Materiales de la naturaleza explicaron cómo el control localizado del proceso de CVD permite un crecimiento evolutivo o autoseleccionable en condiciones óptimas, produciendo una gran lámina de grafeno de cristal único.
"Los cristales individuales grandes son más robustos mecánicamente y pueden tener una mayor conductividad", dijo Ivan Vlassiouk, coautor principal de ORNL. "Esto se debe a que se eliminan las debilidades que surgen de las interconexiones entre dominios individuales en el grafeno policristalino".
"Nuestro método podría ser la clave no solo para mejorar la producción a gran escala de grafeno monocristalino sino también para otros materiales 2D, lo cual es necesario para sus aplicaciones a gran escala", agregó.
Al igual que los enfoques tradicionales de CVD para producir grafeno, los investigadores rociaron una mezcla gaseosa de moléculas precursoras de hidrocarburos sobre una lámina metálica policristalina. Sin embargo, controlaron cuidadosamente la deposición local de las moléculas de hidrocarburos, llevándolas directamente al borde de la emergentepelícula de grafeno. A medida que el sustrato se movía debajo, los átomos de carbono se ensamblaban continuamente como un solo cristal de grafeno de hasta un pie de longitud.
"El crecimiento de grafeno monocristalino sin gravamen puede ir casi continuamente, como lo demuestran un rollo a otro y más allá de las muestras de un pie de largo", dijo Sergei Smirnov, coautor y profesor de la Universidad Estatal de Nuevo México.
A medida que los hidrocarburos tocan la lámina de catalizador caliente, forman grupos de átomos de carbono que crecen con el tiempo en dominios más grandes hasta que se unen para cubrir todo el sustrato. El equipo descubrió previamente que a temperaturas suficientemente altas, los átomos de carbono del grafeno nocorrelacionar o reflejar los átomos del sustrato, lo que permite el crecimiento cristalino no pitaxial.
Dado que la concentración de la mezcla de gases influye fuertemente en la rapidez con la que crece el cristal individual, el suministro del precursor de hidrocarburos cerca del borde existente del cristal de grafeno individual puede promover su crecimiento de manera más efectiva que la formación de nuevos grupos.
"En un entorno tan controlado, la orientación de crecimiento más rápido de los cristales de grafeno abruma a los demás y se 'selecciona evolutivamente' en un solo cristal, incluso en un sustrato policristalino, sin tener que coincidir con la orientación del sustrato, que generalmente ocurre con el estándarcrecimiento epitaxial ", dijo Smirnov.
Descubrieron que para asegurar un crecimiento óptimo, era necesario crear un "viento" que ayudara a eliminar las formaciones de racimo. "Era imperativo que creáramos un ambiente donde la formación de nuevos grupos antes del frente de crecimiento fuera suprimida por completo", dijo Vlassiouk." Entonces, y solo entonces, nada se interpone en el camino del crecimiento cristalino 'más apto' cuando el sustrato se está moviendo ".
Los teóricos del equipo, liderados por el coautor profesor de la Universidad de Rice, Boris Yakobson, proporcionaron un modelo que explica qué orientaciones cristalinas poseen las propiedades únicas que los hacen más aptos en la carrera por la supervivencia, y por qué la elección de un ganador puede depender del sustrato y delprecursores
"Si el grafeno o cualquier material 2D alguna vez avanza a escala industrial, este enfoque será fundamental, similar al método de Czochralski para el silicio", dijo Yakobson. "Los fabricantes pueden estar seguros de que cuando se corta una capa cruda grande del tamaño de una oblea paracualquier fabricación de dispositivos, cada pieza resultante será un monocristal de calidad. Este papel potencialmente enorme e impactante nos motiva a explorar principios teóricos para ser lo más claros posible ".
Queda por ver la ampliación práctica de grafeno usando el método del equipo, pero los investigadores creen que su método de crecimiento evolutivo de un solo cristal de selección también podría aplicarse a materiales 2D alternativos prometedores como el nitruro de boro, también conocido como "grafeno blanco"y disulfuro de molibdeno.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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