Copos de nieve grabados en grafeno en Skoltech. Las áreas claras son grafeno y las oscuras son cobre oxidado. El patrón de copo de nieve surgió cuando el dióxido de carbono grabó el grafeno circundante en uno de los experimentos antes de encontrar la composición óptima del gas. Crédito:Artem Grebenko/Skoltech
Investigadores de Skoltech, MIPT, el Instituto RAS de Física del Estado Sólido, la Universidad Aalto y otros lugares han propuesto la primera técnica de síntesis de grafeno que utiliza monóxido de carbono como fuente de carbono. Es una forma rápida y económica de producir grafeno de alta calidad con equipos relativamente simples para usar en circuitos electrónicos, sensores de gas, óptica y más. El estudio se publicó en la revista Advanced Science .
La deposición química de vapor es la tecnología estándar para sintetizar grafeno, la lámina de átomos de carbono de un átomo de espesor en una disposición de panal con propiedades incomparables útiles para aplicaciones electrónicas y más. La CVD generalmente implica que los átomos de carbono se desprendan de las moléculas de gas y se depositen en un sustrato como una monocapa en una cámara de vacío. Un sustrato popular es el cobre, y los gases utilizados han sido invariablemente hidrocarburos:metano, propano, acetileno, licores, etc.
“La idea de sintetizar grafeno a partir de monóxido de carbono surgió hace mucho tiempo, ya que ese gas es una de las fuentes de carbono más convenientes para el crecimiento de nanotubos de carbono de pared simple. Hemos tenido experiencia laboral con monóxido de carbono durante casi 20 años. Sin embargo, , nuestros primeros experimentos con grafeno no tuvieron éxito, y nos tomó mucho tiempo entender cómo controlar la nucleación y el crecimiento del grafeno. La belleza del monóxido de carbono está en su descomposición exclusivamente catalítica, lo que nos permitió implementar la síntesis autolimitante de grandes cristales de grafeno de una sola capa incluso a presión ambiental", dice el investigador principal del estudio, el profesor de Skoltech Albert Nasibulin.
"Este proyecto es uno de los ejemplos brillantes de cómo los estudios fundamentales benefician a las tecnologías aplicadas. Las condiciones optimizadas que conducen a la formación de grandes cristales de grafeno se hicieron factibles gracias a la comprensión del mecanismo cinético profundo para la formación y el crecimiento del grafeno verificado tanto por la teoría como por el experimento. ”, subraya un coautor del artículo, el científico investigador sénior Dmitry Krasnikov de Skoltech.
El nuevo método se beneficia del principio de la llamada autolimitación. A altas temperaturas, las moléculas de monóxido de carbono tienden a descomponerse en átomos de carbono y oxígeno cuando se acercan mucho al sustrato de cobre. Sin embargo, una vez que se deposita la primera capa de carbono cristalino y separa el gas del sustrato, esta tendencia disminuye, por lo que el proceso favorece naturalmente la formación de una monocapa. La CVD basada en metano también puede operar de manera autolimitada, pero en menor medida.
"El sistema que usamos tiene una serie de ventajas:el grafeno resultante es más puro, crece más rápido y forma mejores cristales. Además, este ajuste evita accidentes con hidrógeno y otros gases explosivos al eliminarlos del proceso por completo", dice el primer investigador del estudio. autor, pasante de Skoltech Artem Grebenko.
El hecho de que el método descarte los riesgos de combustión significa que no se requiere vacío. El aparato funciona a presión estándar, lo que lo hace mucho más simple que el equipo CVD convencional. El diseño simplificado, a su vez, conduce a una síntesis más rápida. "Solo toma 30 minutos desde que se toma una pieza desnuda de cobre hasta que se extrae el grafeno", dice Grebenko.
Dado que ya no se necesita vacío, el equipo no solo funciona más rápido sino que también se vuelve más económico. "Una vez que abandonas el hardware de alta gama para generar vacío ultraalto, puedes ensamblar nuestra 'solución de garaje' por no más de $1000", enfatiza el investigador.
El coautor del estudio, Boris Gorshunov, profesor del MIPT, enfatiza la alta calidad del material resultante:"Cada vez que se presenta una nueva técnica de síntesis de grafeno, es imperativo que los investigadores demuestren que produce lo que dicen que produce. Después de pruebas rigurosas , podemos decir con confianza que el nuestro es grafeno de alta calidad que puede competir con el material producido mediante CVD a partir de otros gases. El material resultante es cristalino, puro y viene en piezas lo suficientemente grandes como para ser utilizado en electrónica".
Además de las aplicaciones estándar del grafeno como tal, existen interesantes posibilidades para usar el grafeno unido al sustrato de cobre, sin eliminar el metal. En comparación con el metano, el monóxido de carbono tiene una energía de adhesión al metal muy alta. Esto significa que, a medida que se produce la deposición, el grafeno protege la capa de cobre de las reacciones químicas y la dota de estructura, creando una superficie metálica altamente desarrollada que tiene grandes propiedades catalíticas. Algunos otros metales, como el rutenio y el paladio, también funcionarían en este contexto para abrir una vía a materiales novedosos con superficies inusuales. El enfriamiento por láser aumenta la calidad del grafeno
