Figura 1. Preparación y caracterización de láminas de Cu / Ni (111). (a) El esquema de la preparación de las láminas de Cu / Ni (111) muestra que las películas de Ni están galvanizadas en ambos lados de una lámina de Cu (111), seguido de calentamiento en una cámara de deposición de vapor químico a 1050 oC durante 5-7 horas para obtener la lámina de Cu / Ni (111). Controlando la concentración de níquel (Ni), Los investigadores del IBS pudieron obtener grafeno bicapa y tricapa con el orden de apilamiento deseado y un área grande. (b) Una fotografía de una pieza de lámina de aleación de Cu / Ni (111) (tamaño de 3 cm × 5 cm). (c) Patrón de rayos X tomado de diferentes regiones de toda la muestra (3 cm × 5 cm). (d) Mapa de difracción por retrodispersión de electrones que indica la orientación uniforme (111) de las láminas de Cu preparadas. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
Investigadores del Centro de Materiales de Carbono Multidimensional (CMCM) dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS, Corea del Sur) han informado en Nanotecnología de la naturaleza la fabricación y el uso de sustratos de láminas de aleación de cobre y níquel monocristalinos para el crecimiento de grandes superficies, películas de grafeno monocristalino bicapa y tricapa.
El crecimiento de películas de grafeno de gran superficie con un número de capas controlado con precisión y órdenes de apilamiento puede abrir nuevas posibilidades en electrónica y fotónica, pero sigue siendo un desafío. Este estudio mostró el primer ejemplo de síntesis de láminas de grafeno bicapa y tricapa de más de un centímetro, con capas apiladas de una manera específica, a saber, apilamiento AB y ABA.
"Este trabajo proporciona materiales para la fabricación de dispositivos de grafeno con funciones novedosas que aún no se han realizado y que podrían ofrecer nuevas propiedades fotónicas, optoelectrónicas y de otro tipo". "explica Rodney S. Ruoff, Director CMCM, Profesor distinguido del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST) y autor principal de este estudio. El coautor y profesor Won Jong Yoo de la Universidad de Sungkyunkwan señala que "esto allana el camino para el estudio de nuevas propiedades de transporte eléctrico del grafeno bicapa y tricapa".
Por ejemplo, el mismo grupo de investigación de IBS y colaboradores publicaron recientemente otro artículo en Nanotecnología de la naturaleza que muestra la conversión de una película de grafeno bicapa apilada en AB, cultivado en láminas de aleación de cobre / níquel (111) (láminas de Cu / Ni (111)), a una hoja con forma de diamante, conocido como diamane. El coautor Pavel V. Bakharev señala que:"Hace menos de un año, producimos monocapa de diamantes fluorados, F-diamane, por fluoración de exactamente las películas de grafeno bicapa apiladas en AB descritas en este nuevo artículo. Ahora, la posibilidad de producir grafeno bicapa de mayor tamaño trae una emoción renovada y muestra lo rápido que se está desarrollando este campo ".
Figura 2. Medición del espesor de la capa de grafeno. (a) Espectros Raman de monocapa, Grafeno bicapa apilado AB y tricapa apilado ABA transferido a sustratos de SiO2 / Si. La ausencia de pico (s) D (a 1350 cm-1) demuestra la alta calidad de estas láminas de grafeno. (b) Ajuste de Lorentz de los picos 2D para monocapa, Películas de grafeno bicapa apiladas AB y tricapa apiladas ABA. (c-k) Imágenes ópticas y mapas Raman de islas bicapa, una película bicapa continua, y una película de grafeno de tres capas. La uniformidad de los mapas indica que las islas bicapa están apiladas en AB y son monocristalinas. Las regiones de la monocapa son verdes, y las regiones multicapa rojas. Aumentar el tiempo de crecimiento transforma las islas bicapa (c, D, e) en una película de grafeno bicapa casi continua (f, gramo, h). Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
La elección correcta del sustrato es fundamental para el correcto crecimiento del grafeno. Las láminas hechas solo de cobre limitan el crecimiento de grafeno bicapa y favorecen el crecimiento uniforme de las monocapa. Es posible obtener láminas de grafeno multicapa sobre película de níquel, pero estos no son uniformes, y tienden a tener pequeños "parches" con diferentes espesores. Finalmente, las láminas disponibles comercialmente que contienen níquel y cobre no son ideales. Por lo tanto, Los investigadores del IBS prepararon láminas de cristal único de Cu / Ni (111) 'caseras' con las características deseadas, construyendo más sobre una técnica reportada por el grupo en Ciencias en 2018. Las películas de níquel se galvanizan sobre láminas de cobre (111) de modo que el níquel y el cobre se difunden cuando se calientan y producen una nueva lámina de cristal único que contiene ambos elementos en proporciones ajustables. Ruoff sugirió este método y supervisó las evaluaciones de Ming Huang de las mejores concentraciones de níquel para obtener láminas de grafeno uniformes con el número deseado de capas.
Los investigadores del IBS cultivaron láminas de grafeno de dos y tres capas sobre láminas de Cu / Ni (111) mediante deposición química de vapor (CVD). Huang logró películas de grafeno bicapa apiladas en AB de varios centímetros cuadrados, cubriendo el 95 por ciento del área del sustrato, y grafeno de tres capas apilado con ABA con más del 60 por ciento de cobertura de área. Esto representa el primer crecimiento de grafeno de tres capas apilado con ABA de alta cobertura en un área grande y la mejor calidad obtenida hasta ahora para el grafeno de dos capas apilado con AB.
Además de extensas caracterizaciones espectroscópicas y microscópicas, Los investigadores también midieron el transporte eléctrico (movilidad del portador y sintonización de la banda prohibida) y la conductividad térmica del grafeno recién sintetizado. Las películas de grafeno bicapa a escala centimétrica mostraron una buena conductividad térmica, tan alto como ~ 2300 W / mK (comparable con escamas de grafeno bicapa exfoliadas), y rendimiento mecánico (rigidez de 478 gigapascales para el módulo de Young, y 3,31 gigapascales para la resistencia a la fractura).
Luego, el equipo investigó el mecanismo de apilamiento del crecimiento y descubrió que sigue la secuencia del llamado "pastel de bodas invertido", ya que las capas inferiores se colocan después de la superior. "Demostramos con tres métodos independientes que la segunda capa de grafeno bicapa, y la segunda y tercera capas de la hoja de tres capas crecen debajo de una capa superior continua. Estos métodos se pueden utilizar más para estudiar la estructura y la secuencia de apilamiento de otros materiales de película delgada 2-D, "señala Huang.
Ruoff señala que estas técnicas para sintetizar y probar películas ultrafinas a gran escala podrían estimular el interés mundial en seguir experimentando con láminas de aleación de cristal único de Cu / Ni. e incluso en la exploración de la fabricación y el uso de otras láminas de aleación monocristalina.
