Nuevas observaciones podrían mejorar la producción industrial de grafeno de alta calidad, acelerar la era de la electrónica de consumo basada en grafeno, gracias a los ingenieros de la Universidad de Illinois.

Combinando datos de varias técnicas de imagen, el equipo descubrió que la calidad del grafeno depende de la estructura cristalina del sustrato de cobre en el que crece. Dirigido por los profesores de ingeniería eléctrica e informática Joseph Lyding y Eric Pop, los investigadores publicaron sus hallazgos en la revista Nano letras .

"El grafeno es un material muy importante, "Dijo Lyding." El futuro de la electrónica puede depender de ello. La calidad de su producción es uno de los problemas clave sin resolver de la nanotecnología. Este es un paso en la dirección de resolver ese problema ".

Para producir grandes láminas de grafeno, El gas metano se canaliza a un horno que contiene una hoja de lámina de cobre. Cuando el metano golpea el cobre, los enlaces carbono-hidrógeno se rompen. El hidrógeno se escapa como gas, mientras que el carbón se adhiere a la superficie del cobre. Los átomos de carbono se mueven hasta que se encuentran y se unen para producir grafeno. El cobre es un sustrato atractivo porque es relativamente barato y promueve el crecimiento de grafeno de una sola capa. que es importante para aplicaciones electrónicas.

"Es muy rentable, forma sencilla de hacer grafeno a gran escala, "dijo Joshua Wood, estudiante de posgrado y autor principal del artículo.

"Sin embargo, esto no tiene en cuenta las sutilezas del cultivo de grafeno, ", dijo." Comprender estas sutilezas es importante para hacer electrónica de alto rendimiento ".

Si bien el grafeno cultivado en cobre tiende a ser mejor que el grafeno cultivado en otros sustratos, permanece plagado de defectos y secciones multicapa, excluyendo aplicaciones de alto rendimiento. Los investigadores han especulado que la rugosidad de la superficie del cobre puede afectar el crecimiento del grafeno, pero el grupo de Illinois descubrió que la estructura cristalina del cobre es más importante.

Las láminas de cobre son un mosaico de diferentes estructuras cristalinas. A medida que el metano cae sobre la superficie de la lámina, las formas de los cristales de cobre que encuentra afectan la forma en que los átomos de carbono forman el grafeno.

Se asignan números de índice a diferentes formas de cristal. Usando varias técnicas de imagen avanzadas, el equipo de Illinois descubrió que los parches de cobre con índices más altos tienden a tener un crecimiento de grafeno de menor calidad. También encontraron que dos estructuras cristalinas comunes, numerados (100) y (111), tener el peor y el mejor crecimiento, respectivamente. Los (100) cristales tienen forma cúbica, con amplios espacios entre átomos. Mientras tanto, (111) tiene una estructura hexagonal densamente compacta.

"En la configuración (100), es más probable que los átomos de carbono se peguen en los agujeros del cobre a nivel atómico, y luego se apilan verticalmente en lugar de difundirse y crecer lateralmente, "Wood dijo." La superficie (111) es hexagonal, y el grafeno también es hexagonal. No es para decir que hay una pareja perfecta pero que hay una combinación preferida entre las superficies ".

Los investigadores ahora se enfrentan a equilibrar el costo de todo (111) cobre y el valor de alta calidad, grafeno sin defectos. Es posible producir cobre monocristalino, pero es difícil y prohibitivamente caro.

El equipo de la U. de I. especula que es posible mejorar la fabricación de láminas de cobre para que tenga un mayor porcentaje de (111) cristales. El grafeno cultivado en tal lámina no sería ideal, pero puede ser "suficientemente bueno" para la mayoría de las aplicaciones.

"La pregunta es, ¿Cómo se optimiza sin dejar de mantener la rentabilidad de las aplicaciones tecnológicas? ", dijo Pop, coautor del artículo. "Como comunidad, todavía estamos escribiendo el libro de cocina del grafeno. Estamos perfeccionando constantemente nuestras técnicas, probando nuevas recetas. Como ocurre con cualquier tecnología en su infancia, todavía estamos explorando qué funciona y qué no ".

Próximo, los investigadores esperan utilizar su metodología para estudiar el crecimiento de otros materiales bidimensionales, incluidos aislantes para mejorar el rendimiento del dispositivo de grafeno. También planean hacer un seguimiento de sus observaciones cultivando grafeno en cobre monocristalino.

"Hay mucha confusión en el negocio del grafeno en este momento, "Dijo Lyding." El hecho de que haya una clara diferencia observacional entre estos diferentes índices de crecimiento ayuda a orientar la investigación y probablemente conducirá a experimentos más cuantitativos, así como a mejores modelos. Este documento está canalizando las cosas en esa dirección ".