Revista de Investigación y Desarrollo
Acceso abierto
ISSN: 2311-3278
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james c cantado
El grafeno tiene propiedades fenomenales, como 100X de la resistencia a la tracción del acero y 100X de la conductividad eléctrica del cobre. Sin embargo, tales propiedades dependen de la estructura de panal intacta de los átomos de carbono que pueden estar presentes en el grafito natural en escalas nanométricas de la o lc. Con el fin de expandir los defectos menos los cristales de grafito a un área de nido de abeja de tamaño de micras aproximadamente un millón de veces, inventamos un proceso catalítico de metal para regenerar el grafito. Mediante el tratamiento térmico del níquel metálico para saturar los átomos de carbono como soluto, la puede aumentar con la temperatura y el tiempo, como se muestra a continuación. Además de expandir los cristales individuales de grafito regenerado, también exfoliamos dichos cristales individuales mediante un método de inyección de líquido con NMP de alta presión que contiene grafito suspendido a través de una boquilla de diamante. La velocidad supersónica del líquido puede expandir repentinamente el grafito a menos capas. Mientras tanto, se elimina la región afectada por el defecto del grafito regenerado.
Un nuevo método para producir grandes películas monocapa de grafeno de un solo cristal de más de un pie de largo se basa en aprovechar una competencia de "supervivencia del más apto" entre los cristales. La novedosa técnica, desarrollada por un equipo dirigido por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía, puede abrir nuevas oportunidades para el cultivo de materiales bidimensionales de alta calidad necesarios para aplicaciones prácticas tan esperadas.
La producción de capas delgadas de grafeno y otros materiales 2D en la escala requerida para las funciones de investigación es común, sin embargo, deben fabricarse en una escala mucho mayor para que tengan un propósito.
El grafeno es aclamado por su potencial de fuerza sin precedentes y alta conductividad eléctrica y se puede fabricar a través de enfoques genéricos: escamas aisladas de grafito, el material blando plateado que se encuentra en los lápices, en capas de un átomo de espesor, o desarrollando átomo por átomo en un catalizador. desde un precursor gaseoso hasta que se forman capas ultrafinas.
Laboratorio Nacional de Oak Ridge: el equipo dirigido utilizó este método, conocido como deposición química de vapor o CVD. En un estudio publicado en Nature Materials, analizaron cómo el control localizado del proceso CVD permite el crecimiento evolutivo o de elección propia en condiciones óptimas, produciendo una gran hoja de grafeno similar a un monocristal. Según los investigadores, los monocristales grandes son más robustos mecánicamente y pueden tener una mayor conductividad debido a que se elimina la deficiencia que surge de las interconexiones entre dominios individuales en el grafeno policristalino. El método CVD podría ser la clave no solo para mejorar la fabricación a gran escala de grafeno monocristalino, sino también para otros materiales 2D, lo cual es necesario para sus aplicaciones a gran escala.
En su mayoría, al igual que los enfoques convencionales de CVD para producir grafeno, los investigadores han rociado una mezcla gaseosa de moléculas precursoras de hidrocarburos sobre una lámina metálica policristalina. Sin embargo, controlaron cuidadosamente la deposición local de las moléculas de hidrocarburo, llevándolas directamente a la esquina de la película de grafeno emergente. Según el sustrato transferido debajo, los átomos de carbono se encuentran continuamente como un cristal de grafeno de hasta un pie de largo.
A medida que los hidrocarburos entran en contacto con la lámina de catalizador caliente, forman grupos de átomos de carbono que se desarrollan con el tiempo en dominios más grandes hasta que se unen para cubrir el sustrato total. El equipo de investigación ya ha descubierto que a temperaturas suficientemente altas, los átomos de carbono del grafeno no se correlacionaban ni reflejaban los átomos del sustrato, lo que permitía un crecimiento cristalino no pitaxial.
Teniendo en cuenta que la concentración de la mezcla de gases influye fuertemente en la rapidez con la que se desarrolla el cristal único, la entrega del precursor de hidrocarburo cerca del borde existente del cristal de grafeno único puede promover su aumento en la eficacia adicional que la formación de nuevos grupos. ambiente, la orientación de más rápido crecimiento de los cristales de grafeno supera a los demás y se 'selecciona evolutivamente' en un solo cristal, incluso en un sustrato policristalino, sin tener que adaptarse a la orientación del sustrato, que normalmente tiene lugar con un crecimiento epitaxial preferido.
Los teóricos del equipo, dirigidos por la Universidad de Rice , proporcionaron un modelo que analiza qué orientaciones de cristal poseen las propiedades únicas que las hacen más aptas en la carrera por la supervivencia, y por qué la elección de una puede depender del sustrato y los precursores. También encontraron que si el grafeno o cualquier material 2D, similar al método de Czochralki para el silicio. También notaron que los fabricantes pueden estar seguros de que cuando se corta una capa cruda grande del tamaño de una oblea para la fabricación de cualquier dispositivo, cada pieza resultante será un monocristal de calidad. Este rol potencialmente enorme e impactante nos motiva a explorar los principios teóricos para ser lo más claros posible.
La escala práctica del grafeno, el uso de la técnica del equipo, aún está por verse, sin embargo, los investigadores consideran que su enfoque de crecimiento monocristalino de elección evolutiva también puede aplicarse a sustancias 2D alternativas prometedoras como el nitruro de boro, también conocido como "grafeno blanco". , y disulfuro de molibdeno.
El crecimiento escalable del grafeno monocristalino del tamaño de una oblea de una manera eficiente desde el punto de vista energético y bien adaptado a la técnica de la oblea es fundamental para las funciones asesinas del grafeno en la electrónica y la optoelectrónica de alto rendimiento. Aquí, el crecimiento epitaxial ultrarrápido de obleas de grafeno de un solo cristal se realiza en películas delgadas de Cu90Ni10.de un solo cristal fabricadas con la ayuda de un proceso de recristalización y pulverización catódica de dos pasos hecho a medida. El contenido menor de níquel (Ni) mejora en gran medida el ejercicio catalítico de Cu, lo que hace que el crecimiento de una oblea de grafeno monocapa monocristalina de 4 pulgadas en 10 minutos en Cu90Ni10 sea 50 veces más rápido que el crecimiento de grafeno en Cu. A través de los experimentos de etiquetado de isótopos de carbono, se demuestra que el aumento de grafeno en Cu90Ni10 está completamente dominado por la reacción superficial, que se atribuye al enriquecimiento de la superficie de Cu en la aleación de CuNi, como se indica a través del perfil en profundidad del aspecto. Uno de los beneficios de primera clase de nuestro protocolo es la compatibilidad con el procedimiento de oblea y la escalabilidad increíble.
Las obleas de grafeno monocristalino podrían ser muy prometedoras para la electrónica y la optoelectrónica de alto rendimiento que son adecuadas para el proceso de obleas. El grafeno policristalino se forma mediante islas de grafeno orientadas aleatoriamente, lo que limita su calidad. Actualmente, los científicos son capaces de cultivar grafeno policristalino del tamaño de un metro y grafeno monocristalino más pequeño, que van desde 0,01 mm2 hasta unos pocos centímetros. Teniendo en cuenta el corto tiempo para la síntesis de grafeno (20 minutos) y la configuración experimental de costo relativamente bajo, el costo de un grafeno monocristalino podría ser cercano al de las películas de grafeno policristalino actuales, que es más bajo que el silicio.