Lo que se encuentra debajo de las islas crecientes de grafeno es importante para sus propiedades, según un nuevo estudio dirigido por Rice University.

Los científicos de Rice analizaron los patrones de grafeno, una hoja de carbono de un solo átomo de espesor, que se cultiva en un horno a través de la deposición de vapor químico. Descubrieron que la relación geométrica entre el grafeno y el sustrato, el material subyacente sobre el que el carbono se ensambla átomo por átomo, determina cómo emergen las formas de la isla.

El estudio dirigido por el físico teórico de Rice Boris Yakobson y el investigador postdoctoral Vasilii Artyukhov muestra cómo la disposición cristalina de átomos en sustratos comúnmente utilizados en el crecimiento del grafeno, como el níquel o el cobre, controla cómo se forman las islas. Los resultados aparecieron hoy en Cartas de revisión física .

"Los experimentos que muestran las asombrosas propiedades electrónicas del grafeno se realizan normalmente en grafeno exfoliado mecánicamente, ", Dijo Artyukhov." Eso te limita en términos del tamaño de las escamas, y es caro si necesitas mucho material. Entonces, todos están tratando de encontrar una mejor manera de cultivarlo a partir de gases como el metano (la fuente de átomos de carbono) utilizando diferentes metales de sustrato. El problema es, los cristales resultantes se ven diferentes de un sustrato a otro, aunque todo es grafeno ".

Yakobson dijo que los investigadores a menudo ven islas de grafeno de formas extrañas que crecen por deposición de vapor químico, "y todos nos hemos preguntado por qué. En general, esto es muy sorprendente, porque en el grafeno, los seis lados deben ser idénticos ". Triángulos y otras formas, él dijo, son ejemplos de ruptura de simetría; los sistemas que de otro modo producirían formas regulares se "rompen" y producen formas menos regulares.

El grafeno se forma en un horno de deposición de vapor químico cuando los átomos de carbono que flotan en la niebla caliente se depositan en el sustrato metálico. Los átomos se unen en anillos característicos de seis lados, pero a medida que crece una isla, su forma general puede tomar varias formas, de hexágonos a hexágonos alargados a estructuras más aleatorias, incluso triángulos. Los investigadores encontraron una fuerte correlación entre la forma final de la isla y la disposición de los átomos en la superficie expuesta del sustrato. que puede ser triangular, cuadrado, rectangular o de otro tipo.

Los investigadores encontraron que los átomos individuales siguen la hoja de ruta establecida por el sustrato, como lo ilustra una imagen de microscopio de dos granos de sustrato de cobre que albergan dos formas distintas de grafeno, aunque las condiciones de crecimiento sean idénticas. En un grano, las islas de grafeno son todos hexágonos casi perfectos; en el otro, las islas hexagonales se alargan y alinean.

"La imagen muestra que los mecanismos básicos de crecimiento son los mismos, pero la diferencia en las islas se debe a las sutiles diferencias entre las superficies cristalográficas del grafeno y el cobre, "Dijo Yakobson.

Debido a que los bordes del grafeno son tan importantes para sus propiedades electrónicas, cualquier paso hacia la comprensión de su crecimiento es importante, él dijo. Si un borde de grafeno termina en zigzag, un sillón o algo intermedio depende de cómo los átomos individuales caen en equilibrio a medida que equilibran las energías entre sus átomos de carbono vecinos y los del sustrato.

Los átomos de los metales forman una disposición específica, una celosía de cristal, como una celosía de cobre puro llamada "cúbica centrada en la cara". Pero los granos individuales pueden tener diferentes superficies en material policristalino como láminas de cobre que se utilizan con frecuencia como sustratos de crecimiento de grafeno.

"Dependiendo de la forma en que corte un cubo por la mitad, puedes terminar con cuadrado, caras rectangulares o incluso triangulares, ", Dijo Artyukhov." La superficie de la lámina de cobre puede tener diferentes texturas en diferentes lugares. La microscopía electrónica mostró que todas las islas de grafeno que crecen en el mismo grano de cobre tienden a tener una forma similar. por ejemplo, todos los hexágonos perfectos, o todo alargado ".

Dijo que las islas heredan la simetría de las superficies de los granos y crecen más rápido en algunas direcciones, lo que explica la peculiar distribución de formas.

Cuando el proceso de crecimiento es lo suficientemente largo, las islas se funden en películas de grafeno más grandes. Donde las celosías de carbono no se alinean entre sí, los átomos buscan el equilibrio y forman límites de grano que controlan las propiedades electrónicas de la hoja más grande. Los investigadores, y las industrias, desean formas de controlar las propiedades semiconductoras del grafeno controlando los límites.

"Una buena comprensión de este proceso da instrucciones sobre cómo organizar la orientación mutua de las islas, "Dijo Yakobson." Así que cuando se fusionan puedes, por diseño, crear límites de grano particulares con propiedades particularmente interesantes. Entonces esta investigación, más que satisfacer nuestra curiosidad, es muy útil."

Sugirió que los mismos cálculos podrían aplicarse al crecimiento de otros materiales bidimensionales como el nitruro de boro hexagonal o el disulfuro de molibdeno y sus parientes. también ampliamente estudiado por su potencial para la electrónica.

Los coautores del artículo son Yufeng Hao, un científico investigador de la Universidad de Columbia, y Rodney Ruoff, director del Centro de Materiales de Carbono Multidimensional del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan, Ulsan, Corea del Sur.