(A) Esquema del soporte de cuarzo del que está suspendida la lámina de cobre (Cu), (B) fotografía de la configuración mostrada esquemáticamente en (A). (C) Fotografía de la lámina de Cu monocristalino recocido (aproximadamente 2 cm × 8 cm), junto a una regla. (D) Espectros de difracción de rayos X (XRD) de las tres regiones en la lámina de Cu monocristalino recocido indicada por P1-P3 en (C). Crédito:IBS
Un grupo de investigación del Centro de Materiales de Carbono Multidimensional, dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS), ha publicado un artículo en Ciencias describiendo un nuevo método para convertir láminas metálicas policristalinas económicas en monocristales con propiedades superiores. Estos materiales tienen muchas aplicaciones en ciencia y tecnología.
La estructura de la mayoría de los materiales metálicos se puede considerar como un mosaico de cristales diminutos con algunos defectos en los bordes entre cada parche. Estos defectos, conocidos como límites de grano (GB), empeoran las propiedades eléctricas y, a veces, mecánicas del metal. Por el contrario, los metales monocristalinos no tienen GB y muestran una mayor conductividad eléctrica y otras cualidades mejoradas que pueden desempeñar un papel importante en campos como la electrónica, plasmónicos y catálisis, entre otros. Las láminas de metal monocristalino también han atraído mucha atención porque ciertos metales monocristalinos, como el cobre, el níquel y el cobalto son sustratos adecuados para el crecimiento de grafeno sin defectos, nitruro de boro y diamante.
Los monocristales se fabrican normalmente comenzando con la llamada "semilla de cristal". Enfoques convencionales, como los métodos de Czochralski o Bridgman, u otros basados en la deposición de películas delgadas de metal sobre sustratos inorgánicos monocristalinos, lograr pequeños cristales individuales con altos costos de procesamiento.
Para desbloquear todo el potencial de tales estructuras metálicas, el equipo de IBS dirigido por Rodney Ruoff en el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST), junto con Jin Sunghwan y Shin Hyung-Joon, inventó la técnica de recocido sin contacto (CFA). El CFA implica calentar las láminas de metal policristalino a una temperatura ligeramente por debajo del punto de fusión de cada metal. Este nuevo método no necesita semillas de monocristales o plantillas que limiten el tamaño máximo de cristal. El método se probó con cinco tipos diferentes de láminas metálicas:cobre, níquel, cobalto, platino y paladio. Resultó en un crecimiento de grano colosal, alcanzando hasta 32 centímetros cuadrados para el cobre.
Los detalles del experimento variaron según el metal utilizado. En el caso del cobre, los investigadores usaron soportes de cuarzo y una barra para colgar la lámina de metal como ropa suspendida en tendederos. Luego, la lámina se calentó durante varias horas en una atmósfera de hidrógeno y argón en un horno en forma de tubo a aproximadamente 1050 grados Celsius (1323 grados Kelvin). una temperatura cercana al punto de fusión del cobre (1358 K), y luego se enfrió.
Láminas de grafeno cultivadas sobre una lámina de cobre monocristalino. (Izquierda) Se obtuvo grafeno monocapa de cristal único de muy alta calidad en una lámina de cobre monocristalino, y (derecha) grafeno multicapa (de 2 a 10 capas) sobre una lámina de aleación de cobre y níquel monocristalino.
Figura 3:Los cristales cambian de orientación para minimizar la energía superficial. Miembros del equipo, DING Feng, ZHANG Leining, y DONG Jichen, contribuyó con un modelo y cálculos teóricos sobre 'crecimiento colosal de granos' que fue observado y estudiado a través de experimentos. SHIN Hyung-Joon llamó la atención sobre la importancia de la "textura" inicial de las láminas de metal policristalino y el papel que desempeña en el crecimiento colosal del grano. En presencia de grandes cantidades de vacantes dentro de la estructura cristalina (5 por ciento en esta simulación de dinámica molecular), la orientación del cristal cambia para minimizar la energía superficial. Crédito:IBS
Los científicos también lograron monocristales a partir de láminas de níquel y cobalto, cada uno de unos 11 cm 2 . Los tamaños alcanzados están limitados por el tamaño del horno. Para platino, Se utilizó calentamiento resistivo debido a su mayor temperatura de fusión (2041 K). La corriente pasó a través de una lámina de platino unida a dos electrodos opuestos, luego se movió y ajustó un electrodo para mantener la lámina plana durante la expansión y contracción. El equipo de investigación espera que este truco funcione para otras láminas, porque también funcionó para el paladio.
Estas grandes láminas de metal monocristalino son útiles en varias aplicaciones. Por ejemplo, pueden servir para cultivar grafeno encima de ellos. El grupo obtuvo grafeno monocristalino monocapa de alta calidad sobre una lámina de cobre monocristalino, y grafeno multicapa sobre una lámina de aleación de cobre y níquel monocristalino.
La nueva lámina de cobre monocristalino mostró propiedades eléctricas mejoradas. Los colaboradores Yoo Won Jong y Moon Inyong de la Universidad de Sungkyunkwan midieron un aumento del 7 por ciento en la conductividad eléctrica a temperatura ambiente de la lámina de cobre monocristalino. en comparación con la lámina policristalina disponible comercialmente.
"Ahora que hemos explorado estos cinco metales e inventado un método escalable sencillo para hacer cristales individuales tan grandes, está la interesante pregunta de si otros tipos de películas de metal policristalino, como el hierro, también se puede convertir en monocristales, "señala el primer autor del estudio, Jin Sunghwan.
Ruoff, su supervisor, dice, "Ahora que están disponibles estas láminas de metal monocristalino baratas, Será tremendamente emocionante ver cómo los utilizan las comunidades científicas y de ingeniería ".
