Cuando se trata del crecimiento de grafeno, un ultrafino, ultra fuerte, material íntegramente de carbono:es la supervivencia del más apto, según investigadores de la Universidad de Texas en Austin.

El equipo utilizó oxígeno de la superficie para hacer crecer cristales de grafeno individuales de un centímetro sobre cobre. Los cristales eran unos 10, 000 veces más grande que los cristales más grandes de hace solo cuatro años. Los monocristales muy grandes tienen propiedades eléctricas excepcionales.

"El juego que jugamos es que queremos que se produzca la nucleación (el crecimiento de pequeñas 'semillas de cristal'), pero también queremos aprovechar y controlar cuántos de estos pequeños núcleos hay, y que se hará más grande, "dijo Rodney S. Ruoff, profesor de la Escuela de Ingeniería Cockrell. "El oxígeno en la concentración de superficie correcta significa que solo crecen unos pocos núcleos, y los ganadores pueden convertirse en cristales muy grandes ".

El equipo, dirigido por el becario postdoctoral Yufeng Hao y Ruoff del Departamento de Ingeniería Mecánica y el Programa de Ciencia e Ingeniería de Materiales, junto con Luigi Colombo, científico de materiales de Texas Instruments, trabajó durante tres años en el método de crecimiento del grafeno. El papel del equipo, "El papel del oxígeno superficial en el crecimiento del grafeno monocristalino grande en el cobre, "aparece en la portada del 8 de noviembre de 2013, cuestión de Ciencias .

Uno de los materiales más fuertes del mundo, El grafeno es flexible y tiene una alta conductividad eléctrica y térmica que lo convierte en un material prometedor para la electrónica flexible. células solares, baterías y transistores de alta velocidad. La comprensión del equipo de cómo el crecimiento del grafeno se ve influenciado por las diferentes cantidades de oxígeno en la superficie es un paso importante hacia la mejora de las películas de grafeno de alta calidad a escala industrial.

El método del equipo "es un avance fundamental, lo que conducirá al crecimiento de una película de grafeno de gran área y alta calidad, "dijo Sanjay Banerjee, quien dirige la Academia South West de Nanoelectrónica (SWAN) de la Escuela Cockrell. "Al aumentar los tamaños de los dominios monocristalinos, las propiedades de transporte electrónico se mejorarán drásticamente y darán lugar a nuevas aplicaciones en la electrónica flexible ".

El grafeno siempre se ha cultivado en forma policristalina, es decir, está compuesto por muchos cristales que se unen con enlaces químicos irregulares en los límites entre los cristales ("límites de grano"), algo así como una colcha de retazos. El grafeno monocristalino grande es de gran interés porque los límites de grano en el material policristalino tienen defectos, y la eliminación de tales defectos hace que el material sea mejor.

Controlando la concentración de oxígeno superficial, los investigadores pudieron aumentar el tamaño del cristal de un milímetro a un centímetro. En lugar de cristales más pequeños y en forma de hexágono, la adición de la cantidad correcta de oxígeno en la superficie produjo monocristales mucho más grandes con bordes de múltiples ramas, similar a un copo de nieve.

"A largo plazo, podría ser posible lograr monocristales de un metro de longitud, ", Dijo Ruoff." Esto ha sido posible con otros materiales, como el silicio y el cuarzo. Incluso un tamaño de cristal de un centímetro, si los límites de los granos no son demasiado defectuosos, es extremadamente significativo ".

"Podemos empezar a pensar en el uso potencial de este material en aviones y en otras aplicaciones estructurales, si resulta ser excepcionalmente fuerte a escalas de longitud como partes del ala de un avión, etcétera, " él dijo.

Otro hallazgo importante del equipo fue que la "movilidad del portador" de los electrones (qué tan rápido se mueven los electrones) en las películas de grafeno que crecen en presencia de oxígeno en la superficie es excepcionalmente alta. Esto es importante porque la velocidad a la que se mueven los portadores de carga es importante para muchos dispositivos electrónicos:cuanto mayor es la velocidad, cuanto más rápido pueda funcionar el dispositivo.

Yufeng Hao dice que cree que el conocimiento adquirido en este estudio podría resultar útil para la industria.

"Es probable que la industria desarrolle aún más la alta calidad del grafeno cultivado con nuestro método, y eso eventualmente permitirá que los dispositivos sean más rápidos y eficientes, "Dijo Hao.

Las películas monocristalinas también se pueden utilizar para la evaluación y el desarrollo de nuevos tipos de dispositivos que requieren una escala mayor de la que se podía lograr antes. añadió Colombo.

"En este momento, no existen otras técnicas informadas que puedan proporcionar películas transferibles de alta calidad, "Dijo Colombo." El material que pudimos cultivar será mucho más uniforme en sus propiedades que una película policristalina ".