El grafeno es el material del futuro. Durante años, Los investigadores y tecnólogos han estado prediciendo la utilidad de las láminas de carbono puro de un átomo de espesor en todo, desde pantallas táctiles y semiconductores avanzados hasta baterías de larga duración y células solares de próxima generación.

Pero las propiedades intrínsecas únicas del grafeno:conductividades eléctricas y térmicas supremas y notable movilidad de electrones, por nombrar solo algunos, solo se puede realizar por completo si se cultiva libre de defectos que alteren el patrón de panal de los átomos de carbono unidos.

Un equipo dirigido por la científica de materiales Anirudha Sumant con el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) y la División de Ciencia de Materiales del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), junto con colaboradores de la Universidad de California-Riverside, ha desarrollado un método para cultivar grafeno que contiene relativamente pocas impurezas y cuesta menos producirlo, en un tiempo más corto y a temperaturas más bajas en comparación con los procesos ampliamente utilizados para producir grafeno en la actualidad.

El trabajo teórico dirigido por el nanocientífico de Argonne Subramanian Sankaranarayanan en el CNM ayudó a los investigadores a comprender los procesos a nivel molecular que subyacen al crecimiento del grafeno.

"Había estado lidiando con todas estas diferentes técnicas de cultivo de grafeno, y nunca ves un uniforme así, superficie lisa ".

La nueva tecnología aprovecha el diamante ultraanocristalino (UNCD), un tipo de diamante sintético en el que los investigadores de Argonne han sido pioneros a lo largo de años de investigación. UNCD sirve como sustrato físico, o superficie sobre la que crece el grafeno, y la fuente de los átomos de carbono que forman una hoja de grafeno rápidamente producida.

"Cuando miré por primera vez la [micrografía electrónica de barrido] y vi este bonito uniforme, capa muy completa, fue increíble, "dijo Diana Berman, el primer autor del estudio y ex asociado de investigación postdoctoral que trabajó con Sumant y ahora es profesor asistente en la Universidad del Norte de Texas. "Había estado lidiando con todas estas diferentes técnicas de cultivo de grafeno, y nunca ves un uniforme así, superficie lisa ".

Los protocolos de fabricación de grafeno actuales introducen impurezas durante el proceso de grabado en sí, que implica la adición de ácidos y polímeros extra, y cuando se transfieren a un sustrato diferente para su uso en electrónica.

"Las impurezas introducidas durante este grabado y el paso de transferencia afectan negativamente las propiedades electrónicas del grafeno, "Dijo Sumant." Así que no obtienes las propiedades intrínsecas del grafeno cuando realmente haces esta transferencia ".

El equipo descubrió que la capa única, El grafeno de dominio único se puede cultivar en orificios de tamaño de micrones lateralmente, haciéndolos completamente independientes (es decir, desprendido del sustrato subyacente). Esto hace posible explotar las propiedades intrínsecas del grafeno mediante la fabricación de dispositivos directamente sobre el grafeno independiente.

El nuevo proceso también es mucho más rentable que los métodos convencionales basados ​​en el uso de carburo de silicio como sustrato. Sumant dice que las obleas de carburo de silicio de 3 a 4 pulgadas utilizadas en este tipo de métodos de crecimiento cuestan alrededor de $ 1, 200, mientras que las películas UNCD sobre obleas de silicio cuestan menos de $ 500.

El método del diamante también tarda menos de un minuto en hacer crecer una hoja de grafeno, donde el método convencional toma del orden de horas.

La alta calidad del grafeno fue confirmada por los coautores de UC Riverside, Zhong Yan y Alexander Balandin, fabricando transistores de efecto de campo de puerta superior a partir de este material y midiendo su movilidad de electrones y la concentración de portadores de carga.

"Es bien sabido que ciertos metales, como el níquel y el hierro, disolver el diamante a temperaturas elevadas, y el mismo proceso se ha utilizado durante muchos años para pulir diamantes, ", dijo Sumant. Él y su equipo utilizaron esta propiedad para emplear níquel en la conversión de la capa superior del diamante en carbono amorfo, pero no estaba claro cómo estos átomos de carbono liberados se convirtieron instantáneamente en grafeno de alta calidad.

Después del avance inicial de Sumant y Berman de cultivar grafeno directamente en UNCD, Sankaranarayanan y sus posdoctorados Badri Narayanan y Sanket Deshmukh, Los científicos de materiales computacionales del CNM utilizaron recursos de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) para ayudar al equipo a comprender mejor el mecanismo del proceso de crecimiento subyacente a este interesante fenómeno mediante simulaciones dinámicas moleculares reactivas.

Simulaciones por computadora desarrolladas por Narayanan, Deshmukh y Sankaranarayanan demostraron que cierta orientación cristalográfica del níquel-111 favorece mucho la nucleación, y posterior crecimiento rápido de grafeno; esto luego se confirmó experimentalmente.

Estas simulaciones a gran escala también mostraron cómo se forma el grafeno. Los átomos de níquel se difunden en el diamante y destruyen su orden cristalino, mientras que los átomos de carbono de este sólido amorfo se mueven hacia la superficie del níquel y forman rápidamente estructuras en forma de panal, resultando en grafeno en su mayoría libre de defectos.

Luego, el níquel se filtró a través de los finos granos cristalinos de la UNCD, hundirse fuera del camino y eliminar la necesidad de ácido para disolver el exceso de átomos de metal de la superficie superior.

"Es como encontrarse con un buen samaritano en un lugar desconocido que te ayuda, hace su trabajo y se va tranquilamente sin dejar rastro, "dijo Sumant.

"El poder predictivo probado de nuestras simulaciones nos coloca en una posición de ventaja para permitir el descubrimiento rápido de nuevas aleaciones catalíticas que median el crecimiento de grafeno de alta calidad en dieléctricos y se alejan por sí mismos cuando se completa el crecimiento, "añadió Narayanan.

Además de la utilidad de hacer mínimamente defectuoso, grafeno listo para la aplicación para cosas como sensores de vibración de baja frecuencia, transistores de radiofrecuencia y mejores electrodos para la purificación del agua, Berman y Sumant dicen que el equipo de Argonne ya ha obtenido tres patentes derivadas de su nuevo método de crecimiento de grafeno.

Los investigadores ya han establecido una colaboración con el Instituto Sueco de Física Espacial que involucra a la Agencia Espacial Europea para su programa Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) para desarrollar sondas recubiertas de grafeno que pueden ayudar a los vehículos exploratorios a detectar las propiedades del plasma que rodea las lunas de Júpiter.

Mas cerca de casa, el equipo también ha elaborado agujas de diamante y grafeno para que los investigadores de la Universidad de Carolina del Norte las utilicen en aplicaciones de biosensores.

Los investigadores de Argonne ahora están afinando el proceso, ajustando la temperatura utilizada para catalizar la reacción y ajustando el grosor del sustrato de diamante y la composición de la película metálica que facilita el crecimiento del grafeno, tanto para optimizar la reacción como para estudiar mejor el física en la interfaz grafeno-diamante.

"Estamos tratando de ajustar esto con más cuidado para tener una mejor comprensión de qué condiciones conducen a qué calidad de grafeno estamos viendo". "Dijo Berman.

Otros autores de Argonne involucrados en el estudio fueron Alexander Zinovev y Daniel Rosenmann. El papel, "Transformación rápida inducida por metales del diamante en grafeno de una o varias capas a escala de oblea, "se publica en Comunicaciones de la naturaleza .