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  • Exfoliación de grafeno de gran superficie diseñada por capas

    Exfoliación en capas LEE de grafeno monocapa de tamaño milimétrico. (A) Ilustración esquemática de nuestra técnica de exfoliación de grafeno de gran superficie diseñada por capas. El recuadro muestra el cambio en el número de capas de grafeno exfoliado de acuerdo con la energía de enlace relativa entre el grafito y una película de estrés metálico. (B y C) Imágenes OM de bajo y alto aumento de grafeno monocapa de tamaño milimétrico obtenidas por el método LEE. (D y E) Imágenes OM y AFM de la superficie de grafito natural escindida. El recuadro es un único rastro de la imagen AFM que muestra la rugosidad del LEE-grafeno, donde el valor cuadrático medio es aproximadamente 3,5 Å. (F a H) Histogramas del tamaño y la densidad del grafeno monocapa obtenido por los métodos de exfoliación estándar y LEE para 25 muestras cada uno. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc6601

    Procesos de fabricación a gran escala que tienen como objetivo producir materiales bidimensionales (2DM) para aplicaciones industriales se basan en una competencia entre calidad y productividad. El método de escisión mecánica de arriba hacia abajo permite 2DM puros y perfectos, pero son una opción débil para la fabricación a gran escala. En un nuevo informe en Avances de la ciencia , Ji-Yun Moon y un equipo de investigación en sistemas energéticos, ciencia de los Materiales, física y nanoarquitectónica en el Reino Unido, Japón y Corea presentaron una técnica de exfoliación diseñada por capas para obtener grafeno a gran escala de hasta un milímetro con control de espesor selectivo. Utilizando espectroscopia detallada y análisis de medición de transporte de electrones, el equipo apoyó el mecanismo de desconchado (fragmentación) propuesto. El método de exfoliación diseñado por capas allanará el camino para desarrollar un proceso industrial para el grafeno y otros 2DM. para aplicaciones en electrónica y optoelectrónica.

    Nuevos métodos para obtener grafeno monocapa

    Los científicos de materiales separaron primero con éxito el grafeno monocapa del grafito tridimensional (3-D) mediante una exfoliación mecánica de arriba hacia abajo. El grafeno es un material único debido a su composición física y química que han atraído gran atención para diversas aplicaciones en electrónica. optoelectrónica y otros campos. En este trabajo, Moon y col. introdujo una nueva técnica conocida como exfoliación diseñada por capas (LEE) para obtener grafeno de gran área mientras se controla el número selectivo de capas de grafeno en la configuración. Para lograr esto, depositaron una fina película de oro (Au) sobre grafito pre-escindido para despegar selectivamente la monocapa superior de grafeno. Luego ajustaron la dureza interfacial del grafeno depositando diferentes películas metálicas, incluido el paladio (Pd), níquel (Ni) y cobalto (Co) para obtener grafeno de gran superficie con un número controlado de capas. El grafeno exfoliado mecánicamente está limitado por su tamaño, control de rendimiento y espesor, que no es adecuado para aplicaciones industriales en la actualidad. Los investigadores habían considerado previamente la deposición de vapor, pero los resultados no fueron sobresalientes. Si una nueva técnica puede superar los métodos convencionales de exfoliación, los investigadores tendrán un atractivo enfoque sintético alternativo para preparar grafeno.

    Control de profundidad de desconchado ajustando la tenacidad interfacial. (A a C) Imágenes OM de bajo aumento y (D a F) de gran aumento de grafeno de tamaño milimétrico diseñado en capas preparadas con Pd, Ni, y compañía, respectivamente, sobre sustratos de SiO2 / Si de 300 nm. (G) Perfiles de línea AFM correspondientes a las líneas punteadas blancas en (D) a (F). (H) Espectros Raman de grafeno multicapa diseñado por capas obtenido usando Pd, Ni, y Co. a.u., unidades arbitrarias. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc6601

    El experimento:LEE de grafeno

    Los científicos utilizaron estudios de espectroscopia y transporte de electrones para confirmar la ausencia de defectos intrínsecos o contaminación química en las muestras desarrolladas por el método LEE. El método de exfoliación es un enfoque prometedor para construir heteroestructuras 2-D de gran superficie para la comercialización. Durante el proceso de exfoliación de escamas de grafito, el equipo dobló la superficie usando un estresante externo para crear una grieta en los límites del dominio, que se propagó a lo largo de la interfaz metal-grafeno para causar una exfoliación de gran área debido a la tensión residual. Por ejemplo, cuando el equipo usó una película dorada (Au) como factor de estrés, la energía de flexión entre Au-grafeno y grafeno-grafeno permitió la separación de una monocapa sin defectos físicos. Moon y col. analizaron cuantitativamente el tamaño y la densidad del grafeno monocapa exfoliado para verificar la confiabilidad de la técnica. Los resultados mostraron un área promedio que alcanzó un 4, Aumento de 200 veces en comparación con el grafeno exfoliado mediante métodos convencionales. El método LEE también mostró mejores resultados en comparación con la exfoliación mecánica estándar en relación con la densidad de la monocapa. El método fue reproducible y, por lo tanto, confiable para exfoliar grafeno monocapa en un enfoque controlado en el laboratorio.

    Caracterización de grafeno monocapa obtenido por LEE. (A) Espectros Raman de LEE-grafeno bajo excitación de 532 nm. (B y C) Γ2D versus ΓG y ω2D versus ωG registrados en tres muestras diferentes:preparadas por Au-LEE (círculos rojos), exfoliación estándar (círculos azules), y encapsulación de hBN (círculos naranjas). (D) Rugosidad superficial de grafeno monocapa obtenido por LEE y exfoliación estándar escaneada sobre 9 μm2. Los recuadros muestran las imágenes AFM 3D correspondientes. Escala de marrón a amarillo, 0 a 5 nm. (E) Patrones de espectroscopia de fotoemisión de rayos X (XPS) (C 1s) obtenidos de LEE-grafeno. RMS, rugosidad cuadrática media de la raíz. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc6601

    Caracterización del grafeno LEE

    Moon y col. realizaron mediciones de espectroscopía Raman en LEE-grafeno para respaldar su mecanismo de fragmentación propuesto, que era sensible al desconchado (fragmentación) del grafeno inducido por el estrés. Los resultados especificaron cómo se liberó la tensión de tracción durante el proceso LEE cuando se levantó el grafeno para recuperar la propiedad prístina del grafeno normalmente exfoliado. Usando estudios adicionales de espectroscopía y microscopía, el equipo confirmó la calidad del LEE-grafeno. Por ejemplo, Las mediciones de microscopía de fuerza atómica (AFM) no mostraron defectos físicos notables en la superficie del grafeno, como grietas, pliegues o desgarro. Como resultado, reconocieron que la película metálica protegía eficazmente la superficie del grafeno de los residuos orgánicos durante el proceso LEE.

    Características de transporte de LEE-grafeno encapsulado en hBN. (A) Resistividad longitudinal en función del voltaje de la puerta trasera a 2 K (el CNP está a 1,5 V). El recuadro izquierdo muestra una micrografía óptica del dispositivo con un esquema de cableado para mediciones de corriente y voltaje. Barra de escala, 5 μm. (B) Dependencia de la densidad de la conductividad longitudinal en una escala logarítmica a 2 K. El valor de n * extraído de nuestro dispositivo de grafeno es ~ 1010 cm − 2. (C) Movilidad de electrones en función de la densidad de portadores a 2 K (línea roja) y 300 K (línea azul). La movilidad es de aproximadamente 20, 000 cm2V − 1 s − 1 a 300 K. (D) Mapa de la resistividad longitudinal en función del campo magnético aplicado y la densidad del portador a 2 K. Los niveles de Landau bien desarrollados indican que el dispositivo de grafeno es de alta calidad ( las líneas punteadas negras indican factores de relleno de -1, −2, −4, y -6). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc6601

    Propiedades de transporte de electrones en LEE-grafeno

    Los científicos verificaron de manera cruzada la calidad del LEE-grafeno como se evidencia con los resultados de la espectroscopía y microscopía al realizar mediciones de transporte de electrones en el dispositivo de grafeno monocapa. Lo lograron encapsulando grafeno entre cristales hexagonales de nitruro de boro (hBN) sin defectos. El hBN proporcionó una superficie plana y limpia para el grafeno y protegió el material contra la contaminación después de la exfoliación. El valor de fluctuación potencial del dispositivo de grafeno fue similar a un dispositivo de grafeno exfoliado adecuadamente en trabajos anteriores. demostrando la precisión del dispositivo desarrollado en este trabajo. El equipo calculó la movilidad de electrones (µ) del dispositivo a 300 K, que superó la magnitud reportada para un dispositivo de grafeno en trabajos anteriores, al mismo tiempo que iguala la movilidad de un dispositivo de grafeno desarrollado por el método de exfoliación estándar en otros lugares. Por lo tanto, el trabajo mostró que la técnica LEE no degradó la calidad del grafeno.

    De este modo, Ji-Yun Moon y sus colegas utilizaron y revisaron el enfoque LEE (exfoliación diseñada por capas) para obtener grafeno de alta densidad con un área extraordinariamente grande de grafito natural. Para lograr esto, utilizaron diferentes técnicas de deposición de metales para controlar la profundidad de la fragmentación y producir grafeno diseñado por capas a gran escala. El nuevo método se desvió del método estándar de exfoliación, que solo permitía un único proceso de pelado. Los científicos obtuvieron el grafeno de gran área a partir de la misma escama de grafito repitiendo el proceso de deposición y desgarro de la película metálica. El trabajo mostró cómo el grafeno diseñado por capas se puede exfoliar en un área grande, allanando el camino hacia la fabricación a gran escala para futuras aplicaciones industriales de heteroestructuras 2-D.

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