Un nuevo método para producir grandes Las películas de grafeno monocapa monocristalino de más de un pie de largo se basan en aprovechar una competencia de "supervivencia del más apto" entre los cristales. La técnica novedosa, desarrollado por un equipo dirigido por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía, puede abrir nuevas oportunidades para el cultivo de materiales bidimensionales de alta calidad necesarios para aplicaciones prácticas tan esperadas.

Es común hacer capas delgadas de grafeno y otros materiales 2D a una escala requerida para fines de investigación, pero deben fabricarse a una escala mucho mayor para que sean útiles.

El grafeno se promociona por su potencial de resistencia sin precedentes y alta conductividad eléctrica y se puede fabricar mediante métodos bien conocidos:separar las escamas de grafito, el material blando plateado que se encuentra en los lápices, en capas de un átomo de espesor. o haciéndolo crecer átomo por átomo en un catalizador a partir de un precursor gaseoso hasta que se formen capas ultrafinas.

El equipo de investigación dirigido por ORNL utilizó el último método, conocido como deposición química de vapor, o ECV, pero con un toque diferente. En un estudio publicado en Materiales de la naturaleza , explicaron cómo el control localizado del proceso de ECV permite la evolución, o autoseleccionando, crecimiento en condiciones óptimas, produciendo una gran, hoja de grafeno de tipo monocristalino.

"Los monocristales grandes son mecánicamente más robustos y pueden tener una conductividad más alta, "El coautor principal de ORNL, Ivan Vlassiouk, dijo:" Esto se debe a que se eliminan las debilidades que surgen de las interconexiones entre dominios individuales en el grafeno policristalino ".

"Nuestro método podría ser la clave no solo para mejorar la producción a gran escala de grafeno monocristalino sino también para otros materiales 2D, que es necesario para sus aplicaciones a gran escala, "añadió.

Al igual que los enfoques tradicionales de CVD para producir grafeno, Los investigadores rociaron una mezcla gaseosa de moléculas precursoras de hidrocarburos en un metal, lámina policristalina. Sin embargo, controlaron cuidadosamente la deposición local de las moléculas de hidrocarburos, llevándolos directamente al borde de la película de grafeno emergente. A medida que el sustrato se movía por debajo, los átomos de carbono se ensamblan continuamente como un solo cristal de grafeno de hasta un pie de largo.

"El crecimiento libre de grafeno de tipo monocristalino puede ir casi de forma continua, como un rollo a rollo y más allá de las muestras de un pie de largo que se muestran aquí, "dijo Sergei Smirnov, coautor y profesor de la Universidad Estatal de Nuevo México.

A medida que los hidrocarburos tocan la lámina de catalizador caliente, forman grupos de átomos de carbono que crecen con el tiempo en dominios más grandes hasta que se fusionan para cubrir todo el sustrato. El equipo descubrió anteriormente que a temperaturas suficientemente altas, los átomos de carbono del grafeno no se correlacionaron, o espejo, los átomos del sustrato, permitiendo el crecimiento cristalino no epitaxial.

Dado que la concentración de la mezcla de gases influye fuertemente en la rapidez con que crece el monocristal, El suministro del precursor de hidrocarburo cerca del borde existente de un solo cristal de grafeno puede promover su crecimiento de manera más efectiva que la formación de nuevos grupos.

"En un entorno tan controlado, la orientación de más rápido crecimiento de los cristales de grafeno abruma a los demás y se 'selecciona evolutivamente' en un solo cristal, incluso sobre un sustrato policristalino, sin tener que coincidir con la orientación del sustrato, que suele ocurrir con el crecimiento epitaxial estándar, "Dijo Smirnov.

Descubrieron que para garantizar un crecimiento óptimo, era necesario crear un "viento" que ayudara a eliminar las formaciones de cúmulos. "Era imperativo que creáramos un entorno en el que se suprimiera por completo la formación de nuevos clústeres antes del frente de crecimiento, y la ampliación de solo el borde creciente del gran cristal de grafeno no se vio obstaculizada, "Vlassiouk dijo." Entonces, y solo entonces, nada se interpone en el camino del crecimiento cristalino 'más apto' cuando el sustrato se está moviendo ".

Los teóricos del equipo, dirigido por el coautor del profesor de la Universidad Rice, Boris Yakobson, proporcionó un modelo que explica qué orientaciones de cristal poseen las propiedades únicas que los hacen más aptos en la carrera por la supervivencia, y por qué la elección de un ganador puede depender del sustrato y los precursores.

"Si el grafeno o cualquier material 2D avanza alguna vez a escala industrial, este enfoque será fundamental, similar al método de Czochralski para el silicio ". Yakobson dijo." Los fabricantes pueden estar seguros de que cuando un gran, Se corta una capa cruda del tamaño de una oblea para la fabricación de cualquier dispositivo, cada pieza resultante será un monocristal de calidad. Este potencialmente enorme El papel impactante nos motiva a explorar los principios teóricos para ser lo más claros posible ".

Queda por ver la ampliación práctica del grafeno utilizando el método del equipo, pero los investigadores creen que su método de crecimiento de cristal único de selección evolutiva también podría aplicarse a materiales 2D alternativos prometedores como el nitruro de boro, también conocido como "grafeno blanco, "y disulfuro de molibdeno.