Un enfoque que produce láminas de grafeno de un solo cristal en soportes aislantes eléctricos a gran escala podría ayudar con el desarrollo de dispositivos basados ​​en nanomateriales de próxima generación, como pantallas táctiles muy livianas y delgadas, dispositivos electrónicos portátiles y células solares.

La mayoría de los dispositivos electrónicos basados ​​en grafeno requieren soportes aislantes. Sin embargo, las películas de grafeno de alta calidad destinadas a uso industrial generalmente se cultivan en un sustrato de metal, como una lámina de cobre, antes de transferirse a un soporte aislante para la fabricación de dispositivos. Este paso de transferencia puede introducir impurezas que afectan el rendimiento del dispositivo. Los esfuerzos para cultivar grafeno en soportes aislantes no han podido producir los monocristales de alta calidad requeridos.

"Si el grafeno se puede cultivar en un sustrato aislante con una interfaz limpia, ciertos dispositivos podrían funcionar mejor", dice Ph.D. estudiante Bo Tian, ​​quien codirigió el estudio bajo la supervisión de Xixiang Zhang. "Esto también abre la puerta a nuevos tipos de nanodispositivos basados ​​en grafeno", explica.

Zhang, Tian y sus compañeros de trabajo de Asia y Europa modificaron el método de deposición química de vapor, que se basa en la descomposición del metano en precursores de carbono catalizada por cobre, para generar monocapas de grafeno de un solo cristal uniformes en sustratos de un solo cristal a escala de obleas llamados c-plane. zafiro.

Los investigadores convirtieron láminas de cobre policristalino en su contraparte monocristalina Cu(111) en la superficie de zafiro e introdujeron átomos de carbono activo de la descomposición de metano catalizada por sustrato metálico en la película resultante. Los átomos de carbono se difundieron a través de la película metálica hacia la interfaz cobre-zafiro, que actuó como plantilla y formaron islas de grafeno bien orientadas que, después de varios ciclos de crecimiento, se fusionaron para producir una lámina.

Además de las interacciones superficiales débiles, la película de cobre y el zafiro mostraron una simetría de red cristalina similar a la del grafeno, dice Tian, ​​lo que explica la alta cristalinidad de la monocapa de grafeno.

Los investigadores eliminaron cualquier grafeno que se hubiera acumulado en la parte superior de la película de cobre utilizando un plasma de hidrógeno y argón para facilitar la difusión del carbono. Sumergieron las muestras en nitrógeno líquido antes de calentarlas rápidamente a 500 grados centígrados, lo que hizo que la película de cobre fuera fácil de despegar y mantuviera intacta la monocapa de grafeno.

Los transistores de efecto de campo fabricados en la monocapa de grafeno monocristalino cultivado en zafiro exhibieron un rendimiento excelente con movilidades de portador más altas. El rendimiento electrónico superior del grafeno cultivado en zafiro resulta de su mayor cristalinidad y menos pliegues en la superficie, explica Tian.

"Nuestro equipo ahora está tratando de hacer crecer otros materiales bidimensionales en el grafeno soportado por el aislador para construir heteroestructuras funcionalizadas a gran escala", dice Tian. Se espera que estas heteroestructuras unidas por interacciones de van der Waals sean útiles en futuros nanodispositivos. + Explora más

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