Figura 1. Grafeno nanoporoso sobre Ni nanoporoso (izquierda) y grafeno nanoporoso después de disolver el sustrato de Ni nanoporoso.
El grafeno nanoporoso tridimensional (3D) con caracteres electrónicos Dirac 2D conservados fue sintetizado con éxito por el Dr. Yoshikazu Ito y el profesor Mingwei CHEN en el Instituto Avanzado de Investigación de Materiales (AIMR), Universidad de Tohoku. El grafeno nanoporoso está construido por una hoja de grafeno de una sola capa que está continuamente interconectada para formar una compleja estructura de red 3D. Este grafeno nanoporoso independiente con una excelente cristalinidad posee una alta movilidad, manteniendo una gran promesa para las aplicaciones en dispositivos electrónicos.
El grafeno nanoporoso se cultivó mediante un método de deposición química de vapor (CVD) basado en metales nanoporosos, como se muestra en la Figura 1 (a). La morfología general del grafeno nanoporoso en la Figura 1 (b) muestra una lámina a granel independiente de ~ 20 µm de espesor. Aunque el grafeno nanoporoso 3D tiene una estructura compleja, se demuestra que es de 500 cm2 / Vs en movilidad de electrones y un sistema de cono de Dirac sin masa. Como el transistor convencional requiere una movilidad de electrones de 200 cm2 / Vs, Se espera mucho que este grafeno nanoporoso traiga un nuevo dispositivo que pueda ser reemplazado por dispositivos de Si.
Este trabajo se colabora con los equipos de investigación del Prof. Katsumi Tanigaki y el Prof. Takashi Takahashi en AIMR, Universidad de Tohoku. Los resultados de esta investigación se publicarán en el número 19 de ' Edición internacional Angewandte Chemie 'como Hot Paper el 2 de mayo.
El grafeno es un material de carbono monocapa de bajo coste, alta estabilidad química / térmica, y resistencia ultra alta y se espera que sea un reemplazo del silicio y los metales nobles por dispositivos electrónicos, materiales de la batería, detectores de foto / iones y catalizadores. Aunque algunos de los productos de grafeno, como pantallas y electrodos, están disponibles comercialmente, las aplicaciones son limitadas debido a la estructura de la hoja 2D. En otras palabras, el rendimiento por gramo es excelente, pero el rendimiento por volumen no se puede lograr fácilmente. Por lo tanto, Se han realizado muchos esfuerzos para construir el material 2D como una estructura 3D con propiedades físicas / químicas conservadas y alto rendimiento volumétrico. Sin embargo, los materiales de carbono nanoporoso 3D reportados sufren de poca movilidad debido a la menor cristalinidad, que no se puede utilizar para los dispositivos electrónicos. Para lograr materiales de carbono 3D de grado semiconductor, En una estructura 3D se requiere la lámina de grafeno monocapa con una estructura altamente cristalina. Por lo tanto, Hemos desarrollado un grafeno nanoporoso 3D con alta movilidad preservada y propiedades electrónicas 2D únicas del grafeno.
Figura 2. Morfología del grafeno nanoporoso 3D. (a) Estructuras de ligamentos 3D, (b) parte plana y (c) parte de curvatura en la hoja de grafeno con modelos atómicos, respectivamente.
El grafeno nanoporoso de la Figura 1 se sintetizó mediante el método CVD basado en metales nanoporosos. El grafeno nanoporoso hereda completamente la estructura geométrica del sustrato de níquel nanoporoso después de disolver el níquel. La estructura atómica del grafeno nanoporoso fue observada por TEM como se muestra en la Figura 2. El ligamento en la Figura 2 (a) fue construido por partes de superficie plana (Figura 2 (b)) y partes de curvatura (Figura 2 (c)) del hoja de grafeno. Es obvio que los anillos de seis miembros se observaron en la parte plana mientras que los anillos de cinco y siete miembros se observaron en las partes curvas debido al requisito geométrico para crear las estructuras de curvatura.
Se investigaron las propiedades físicas del grafeno nanoporoso. Como el grafeno 2D es un sistema de cono de Dirac (Figura 3 (a)) y muestra una densidad de estado electrónica de dispersión lineal (Figura 3 (b)). El grafeno nanoporoso 3D en la Figura 2 también demuestra una relación lineal cerca del nivel de Fermi, que es similar con el grafeno 2D. Se midió la movilidad electrónica del grafeno nanoporoso con diferentes tamaños de poro. A medida que aumenta la temperatura, la movilidad de los electrones disminuye ligeramente a 200-400 cm2 / Vs. En comparación con el grafeno 2D CVD, la movilidad de los electrones sigue siendo lo suficientemente alta para aplicaciones de dispositivos.
En conclusión, el grafeno nanoporoso conserva los futuros del grafeno 2D. Estos hallazgos se informan en primer lugar para revelar las propiedades físicas del grafeno nanoporoso 3D.
Figura 3. (a) Dispersión del cono de Dirac de grafeno 2 D. (b) Densidad de estado electrónica típica de grafeno 2D. (c) Densidad electrónica de estado del grafeno nanoporoso 3D (experimento) (d) Dependencia de la temperatura y el tamaño poroso de la movilidad de los electrones. El área naranja muestra el rango de movilidad de electrones del grafeno CVD. La movilidad electrónica del silicio es de 1500 cm2 / Vs.
Se espera que el grafeno nanoporoso 3D brinde un gran avance en la resolución de un problema de rendimiento volumétrico del grafeno 2D al proporcionar estructuras porosas abundantes para un transporte masivo fácil y una gran superficie efectiva. Es más, el grafeno nanoporoso conserva los caracteres electrónicos de grafeno 2D y se espera que se emplee para aplicaciones en dispositivos electrónicos como transistores y condensadores.
