Panel (a):imagen óptica de una película de grafeno CVD sobre un cobre de 450 nanómetros que muestra la morfología de los dedos del metal; (b) Mapa de bandas Raman 2D de la película de grafeno entre los dedos de metal, sobre el área marcada por el cuadrado rojo a la izquierda. Crédito:Imagen de Yuegang Zhang
Grafeno la forma cristalina bidimensional del carbono, es una superestrella potencial para la industria electrónica. Con electrones extrañamente móviles que pueden atravesar el material casi a la velocidad de la luz, 100 veces más rápido que los electrones pueden moverse a través del silicio, el grafeno podría usarse para fabricar transistores ultrarrápidos o chips de memoria de computadora. La estructura atómica única de "malla de gallinero" del grafeno exhibe una increíble flexibilidad y resistencia mecánica, así como propiedades ópticas inusuales que podrían abrir una serie de puertas prometedoras tanto en la industria electrónica como en la fotónica. Sin embargo, entre los obstáculos que impiden que el grafeno se una al panteón de materiales estrella de alta tecnología, tal vez ninguno sea más importante que aprender a hacer las cosas en cantidades utilizables y de alta calidad.
"Antes de que podamos utilizar plenamente las propiedades electrónicas superiores del grafeno en los dispositivos, Primero debemos desarrollar un método para formar películas uniformes de grafeno de una sola capa sobre sustratos no conductores a gran escala, "dice Yuegang Zhang, científico de materiales del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab). Los métodos de fabricación actuales basados en la escisión mecánica o el recocido al vacío ultra alto, él dice, son inadecuados para la producción a escala comercial. Las películas de grafeno fabricadas mediante deposición basada en solución y reducción química han sufrido una calidad deficiente o desigual.
Zhang y colegas de la Fundición Molecular de Berkeley Lab, un centro de nanociencia del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), han dado un paso significativo para superar este gran obstáculo. Han utilizado con éxito la deposición química directa en fase de vapor (CVD) para sintetizar películas de una sola capa de grafeno sobre un sustrato dieléctrico. Zhang y sus colegas hicieron sus películas de grafeno mediante la descomposición catalítica de precursores de hidrocarburos sobre películas delgadas de cobre que se habían depositado previamente sobre el sustrato dieléctrico. Posteriormente, las películas de cobre se deshumedecieron (se separaron en charcos o gotitas) y se evaporaron. El producto final fue una película de grafeno de una sola capa sobre un dieléctrico desnudo.
"Esta es una noticia emocionante para las aplicaciones electrónicas porque la deposición química de vapor es una técnica que ya se utiliza ampliamente en la industria de los semiconductores, "Dice Zhang". Además, podemos aprender más sobre el crecimiento del grafeno en las superficies de los catalizadores metálicos observando la evolución de las películas después de la evaporación del cobre. Esto debería sentar una base importante para un mayor control del proceso y permitirnos adaptar las propiedades de estas películas o producir las morfologías deseadas. como las nanocintas de grafeno ".
Zhang y sus colegas informaron sus hallazgos en la revista. Nano letras en un papel titulado, "Deposición de vapor químico directo de grafeno en superficies dieléctricas". Otros coautores de este artículo fueron Ariel Ismach, Clara Druzgalski, Samuel Penwell, Maxwell Zheng, Ali Javey y Jeffrey Bokor, todo con Berkeley Lab.
En su estudio, Zhang y sus colegas utilizaron la evaporación por haz de electrones para depositar películas de cobre con un espesor de entre 100 y 450 nanómetros. Se eligió el cobre porque, como catalizador metálico de baja solubilidad en carbono, se esperaba que permitiera un mejor control sobre el número de capas de grafeno producidas. Se evaluaron varios sustratos dieléctricos diferentes, incluido el cuarzo monocristalino, zafiro, obleas de sílice fundida y óxido de silicio. La ECV del grafeno se llevó a cabo en 1, 000 grados Celsius en duraciones que van desde 15 minutos hasta siete horas.
"Esto se hizo para permitirnos estudiar el efecto del espesor de la película, tipo de sustrato y tiempo de crecimiento de la ECV en la formación de grafeno, "Dice Zhang.
Una combinación de mapeo Raman de barrido y espectroscopia, además, la microscopía electrónica de barrido y de fuerza atómica confirmó la presencia de películas continuas de grafeno de una sola capa que recubren áreas libres de metal de sustrato dieléctrico que miden decenas de micrómetros cuadrados.
Para hacer una película delgada de grafeno, Los investigadores de Berkeley (a) evaporaron una fina capa de cobre sobre una superficie dieléctrica; (b) luego usó CVD para colocar una película de grafeno sobre el cobre. (c) El cobre se deshumedece y se evapora dejando (d) una película de grafeno directamente sobre un sustrato dieléctrico. Crédito:Imagen de Yuegang Zhang
"Una mejora adicional en el control del proceso de deshumectación y evaporación podría conducir a la deposición directa de grafeno estampado para la fabricación de dispositivos electrónicos a gran escala, Dice Zhang. "Este método también podría generalizarse y utilizarse para depositar otros materiales bidimensionales, como el nitruro de boro ".
Incluso la aparición de arrugas en las películas de grafeno que siguieron las líneas de la forma deshumectante del cobre podría resultar beneficiosa a largo plazo. Aunque estudios previos han indicado que las arrugas en una película de grafeno tienen un impacto negativo en las propiedades electrónicas al introducir cepas que reducen la movilidad de los electrones, Zhang cree que las arrugas se pueden convertir en una ventaja.
"Si podemos aprender a controlar la formación de arrugas en nuestras películas, deberíamos poder modular la tensión resultante y, por lo tanto, adaptar las propiedades electrónicas, "El estudio adicional de la formación de arrugas también podría darnos nuevas pistas importantes para la formación de nanocintas de grafeno".
