En 2004, la comunidad de la física estaba empezando a reconocer la existencia de material verdaderamente bidimensional (2-D), grafeno. Avance rápido hasta 2019, y los científicos están explorando una amplia gama de materiales 2-D para descubrir más de sus propiedades fundamentales. El frenesí detrás de estos nuevos materiales 2-D reside en sus fascinantes propiedades:los materiales adelgazados a unos pocos átomos funcionan de manera muy diferente a los materiales 3-D. Los electrones empaquetados en la capa más delgada jamás muestran características distintivas además de estar en una "red suelta". También siendo flexible, Los materiales 2-D pueden presentar propiedades eléctricas distintivas, abriendo nuevas aplicaciones para tecnologías de próxima generación, como dispositivos flexibles y portátiles.

Luego, ¿cuál es la trampa? Muchos parámetros como la temperatura, presión, el tipo de precursor y la velocidad de flujo deben tenerse en cuenta en la síntesis de CVD de materiales 2-D. Con múltiples reacciones involucradas, Es extremadamente difícil optimizar todos estos factores durante las reacciones y encontrar sus mejores combinaciones. Habiendo dicho eso, La síntesis de material 2-D es difícil de controlar. Los científicos han intentado acelerar el crecimiento de materiales 2-D adoptando diferentes sustratos, materias primas y temperatura. Todavía, solo unos pocos tipos de materiales 2-D se pueden sintetizar en áreas grandes, películas de alta calidad.

Científicos del Centro de Materiales de Carbono Multidimensional (CMCM), dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) en el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST) y colaboradores demostraron que el flúor, tener la tendencia más fuerte a atraer electrones (es decir, electronegatividad) en todos los elementos, puede acelerar la reacción química para hacer crecer tres materiales 2-D representativos; grafeno h-BN, y WS2. El flúor requiere solo un electrón para alcanzar una alta estabilidad. También, tener siete electrones en la órbita más externa de un átomo, la distancia a la que residen estos electrones de valencia es la mínima en comparación con otros elementos. Esto significa que los electrones de valencia del flúor están unidos al átomo con más fuerza que cualquier otro átomo, haciendo del flúor el elemento más activo de la tabla periódica.

De hecho, Los gases activos como el hidrógeno o el oxígeno se utilizan ampliamente para ajustar el crecimiento del grafeno y otros materiales bidimensionales. "¿Por qué no, entonces, el elemento más activo, ¿flúor? La electronegatividad más alta permite que el flúor forme enlaces con casi todos los átomos de la tabla periódica, por lo que se espera que cambie las rutas de reacción de muchos procesos químicos, "dijo el profesor Feng Ding, el autor correspondiente de este estudio.

Experimentalmente, no es preferible introducir flúor durante el crecimiento de un material, ya que el flúor se vuelve altamente tóxico en el reactor. Para resolver el problema, en lugar de utilizar gas flúor directamente, los científicos confinaron espacialmente el suministro de flúor de modo que solo se consumiera la mínima cantidad de flúor. Colocaron un sustrato de fluoruro metálico (MF ₂ ) debajo de una lámina de Cu con un espacio muy estrecho entre ellos. A alta temperatura, Los radicales de flúor se liberan de la superficie del fluoruro y quedan atrapados espacialmente en el estrecho espacio entre la hoja de Cu y el sustrato de fluoruro metálico. Asombrosamente, un cambio tan simple conduce a una tasa de crecimiento récord de grafeno a 12 mm por minuto. Para poner esta tasa en perspectiva, este nuevo enfoque reduce el tiempo de crecimiento de 10 cm ² grafeno a partir de 10 minutos con métodos anteriores, ahora a solo tres minutos.

La introducción de flúor local cambia por completo la ruta de descomposición del metano. Como el flúor liberado de la superficie del fluoruro metálico reacciona fácilmente con el gas metano, habrá una cantidad suficiente de CH ³ F o CH ² F ² moléculas en el espacio entre Cu y BaF ² sustratos. Estas moléculas podrían descomponerse en una superficie de Cu mucho más fácilmente que lo hace el CH4. En otras palabras, alimentan mejor el crecimiento del grafeno al suministrar más radicales de carbono activo (es decir, CH ³ , CH ² , CH y C).

Otros estudios experimentales mostraron que la estrategia local de suministro de flúor podría acelerar en gran medida el crecimiento de otros materiales 2-D como h-BN y WS2, así como. Los científicos investigaron cómo el flúor espacialmente confinado es capaz de acelerar el crecimiento de materiales 2-D. Los estudios teóricos revelaron que el flúor, ser altamente reactivo, interactúa fácilmente con las moléculas de metano. La existencia de flúor conduce a la formación de CH ³ F o CH ² F ² moléculas. Estas moléculas altamente activas pueden luego descomponerse más fácilmente en la superficie de la lámina de Cu, lo que acelera enormemente el suministro de carbono para un rápido crecimiento del grafeno.

Aunque el mecanismo detallado del flúor que impulsa el crecimiento de h-BN y WS2 no está claro, los autores confían en que la presencia de flúor podría modificar significativamente las reacciones de crecimiento de los materiales 2-D. "Prevemos que este suministro local de flúor facilitará fácilmente el crecimiento rápido de materiales 2-D amplios o permitirá el crecimiento de nuevos materiales 2-D, que es muy difícil de realizar por otros métodos, ", dijo el profesor Feng Ding. Además del fluoruro, hay abundantes tipos de sustratos como sulfuros, seleniuros, cloruros o bromuros que podrían utilizarse como fuentes de suministro local de diferentes materiales activos, que proporciona una plataforma lo suficientemente amplia para modular el crecimiento de materiales 2-D amplios.