Una imagen SEM a gran escala (~ 2,5 mm x 1,6 mm) de una película de grafeno monocristalino sin capa sobre una lámina de Cu (111). Crédito:Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST)
Un equipo internacional de investigadores, dirigido por el distinguido profesor Rodney S. Ruoff (Facultad de Ciencias Naturales) del Centro de Materiales de Carbono Multidimensional (CMCM), dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) en UNIST, ha informado de una capa verdaderamente única (es decir, sin capa) película de grafeno de gran superficie sobre láminas de cobre de gran superficie. Esto podría parecer el último de una serie de declaraciones aparentemente similares sobre el grafeno de una sola capa. Sin embargo, este logro difiere de otros miles de publicaciones anteriores en que ninguna de ellas había descrito grafeno verdaderamente de una sola capa en un área grande. En tales películas siempre han estado presentes capas de ad (regiones bicapa o multicapa).
Los científicos refinaron el método de crecimiento de la deposición química de vapor (CVD) eliminando todas las impurezas de carbono dentro de las láminas de cobre en las que se cultiva el grafeno. La CVD en láminas metálicas (especialmente láminas de cobre) es actualmente la ruta más prometedora para la síntesis escalable y reproducible de películas de grafeno de gran superficie de alta calidad. El equipo investigó por qué aparecían "capas de ad" en la película de grafeno que crecía en láminas de cobre y descubrió que las impurezas de carbono dentro de la lámina conducen directamente a la nucleación y el crecimiento de las capas de ad. (Las capas son regiones de la película en las que hay dos o tres capas:parches de varias capas, " es decir.)
"Descubrimos que las láminas de cobre comerciales tienen 'exceso de carbono', particularmente cerca de la superficie, a una profundidad de aproximadamente 300 nm, mediante el uso de espectrometría de masas de iones secundarios de tiempo de vuelo y análisis de combustión. De una discusión con un experto técnico en Jiangxi Copper Corporation Limited, uno de los mayores proveedores de láminas de cobre del mundo, aprendimos que el carbono está incrustado en la lámina de cobre durante la fabricación, probablemente a partir de aceite (s) a base de hidrocarburos utilizados para lubricar los rodillos con los que la lámina de cobre entra en contacto a las altas temperaturas de laminación, "dijo el Dr. Da Luo, primer autor del artículo. Después de eliminar completamente este carbono por recocido bajo H2 a 1060 ° C, pudieron lograr una película de grafeno sin capa y, por lo tanto, verdaderamente de una sola capa.
(A) Imagen SEM de una película de grafeno monocristalino sin capa con pliegues largos paralelos en una lámina de Cu (111). (B) Una imagen STM de ultra alto vacío de alta resolución de la red en forma de panal de la película de grafeno monocristalino. (C) Ilustración esquemática para la fabricación sencilla de transistores de efecto de campo de alto rendimiento en la región que se encuentra entre dos pliegues adyacentes en la película de grafeno monocristalino. (D) Movilidades de portadora medidas a partir de transistores de efecto de campo modelados con varios tipos de muestras de grafeno; La película de grafeno monocristalino sin capa muestra el mejor rendimiento. Crédito:Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST)
Aplicando el mismo método, Los científicos del IBS también obtuvieron una película de grafeno monocristalino y de una sola capa sin capa sobre una lámina de Cu monocristalino. Uno de los primeros autores, Meihui Wang, explicó:"Por lo tanto, resolvimos dos problemas que han estado presentes de manera persistente en síntesis anteriores de películas de grafeno de CVD (capas de ad y límites de grano (GB)) al mismo tiempo". En efecto, logrando una perfecta uniformidad en el número de capas en un área grande (capas simples o dobles, por ejemplo) se puede utilizar para garantizar un rendimiento constante del dispositivo. Las regiones de Adlayer difieren en, p.ej., densidad y tamaño cuando está presente en las regiones activas de los dispositivos. Además de adlayers, Los GB están presentes en películas de grafeno policristalino preparadas por CVD donde islas de grafeno con diferentes orientaciones cristalográficas se unen para completar la película. La presencia de GB reduce la movilidad del portador y la conductividad térmica, y reduce la resistencia mecánica.
Todavía, los científicos se quedaron con una característica fascinante en sus películas de cristal único:este grafeno de cristal único contiene "pliegues" paralelos altamente orientados que tienen centímetros de longitud, aproximadamente cien nanómetros de ancho, y separados por 20 a 50 micrómetros. Al igual que los lectores de anuncios y los GB, Se observó que los pliegues disminuían significativamente la movilidad del portador de grafeno. Para eliminar estos efectos de dispersión de las capas, GB y pliegues, el equipo modeló transistores de efecto de campo en la región que se encuentra entre dos pliegues adyacentes y con los transistores paralelos a los pliegues. A diferencia de los pliegues distribuidos casi al azar en la película de grafeno policristalino, los pliegues están altamente alineados en la película de grafeno monocristalino de área grande. Esto facilita la fabricación de dispositivos integrados de alto rendimiento a partir de las regiones entre los pliegues. Wang explicó, "La región entre dos pliegues adyacentes está 'limpia' sin pliegues, adlayers, o GB. Esto permitió que el dispositivo tuviera una movilidad de electrones y huecos muy alta. Los transistores de efecto de campo muestran valores de movilidad de portadora a temperatura ambiente muy altos de alrededor de 1.0 x 10 4 cm 2 V -1 s -1 . Esta alta movilidad del portador "se traduce" en varios dispositivos útiles que tienen un alto rendimiento ".
(a-b) (panel izquierdo) Imágenes SEM de películas de grafeno monocristalino sin capa sobre láminas de Cu (111) e imágenes ópticas (panel derecho) de las películas después de la transferencia a obleas de SiO2 / Si de 300 nm. (c-d) (panel izquierdo) Imágenes SEM de películas de grafeno policristalino con capas de ad sobre láminas de Cu policristalino e imágenes ópticas (panel derecho) de las películas después de la transferencia a obleas de SiO2 / Si de 300 nm. Los parámetros de CVD para el flujo y la presión de gas fueron los siguientes:(a, c) H2 / CH4 (200 sccm / 1 sccm) a 2,0 Torr; (B, d) H2 / CH4 (30 sccm / 30 sccm CH4 al 0,1% en Ar) a 30,0 Torr. Las flechas negras apuntan a los pliegues. Crédito:Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST)
El director Ruoff señaló:"Nuestro enfoque hacia el grafeno monocristalino sin capa de gran superficie es un gran avance. Este uniforme, capa única 'perfecta', Se espera que el grafeno monocristalino encuentre uso como material de soporte ultrafino para la obtención de imágenes de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución. y en dispositivos ópticos. También como un grafeno apropiado para lograr una funcionalización extremadamente uniforme que conduce a muchas otras aplicaciones, particularmente para sensores de varios tipos. También me gustaría señalar que valoramos enormemente las sólidas contribuciones de los coautores de UNIST, de HKUST, y de SKKU ". Esta investigación fue apoyada por el Instituto de Ciencias Básicas, y ha sido publicado en la revista, Materiales avanzados.
