La industria electrónica podría verse muy diferente hoy en día si no fuera por la dramática caída en el costo de las obleas de silicio monocristalino de alta calidad durante las últimas cinco décadas. Entonces, ¿qué pasaría si el costo del grafeno monocristalino se desplomara de manera igualmente significativa? Resultados reportados en ACS Nano puede acercar esto a la realidad, ya que muestran que el grafeno monocristalino puede crecer en una fracción del tiempo habitual y utilizando sustratos policristalinos mucho más baratos de lo que normalmente se necesita.

Los costos de producción de grafeno ya se han reducido sustancialmente en los últimos 20 años de cientos de miles de dólares por kilogramo a menos de 50 dólares. Sin embargo, explotar las propiedades electrónicas del material impone requisitos mucho más altos en la calidad del cristal:límites de grano, los defectos y dislocaciones interrumpen el comportamiento electrónico del material, por lo que el precio del grafeno de calidad electrónica sigue siendo alto.

La deposición de vapor químico es uno de los enfoques más populares para cultivar grafeno de buena calidad. pero los defectos son inevitables. Modificar los parámetros durante el crecimiento para que no se formen sitios de nucleación adicionales pueda fomentar el crecimiento de grafeno monocristalino, finalmente. Sin embargo, el largo período de tiempo que lleva este crecimiento lo hace costoso. Otros enfoques incluyen el crecimiento en un sustrato catalítico monocristalino, pero estos sustratos son más caros, nuevamente aumentando el costo.

En lugar de, Dongmok Whang del Instituto Avanzado de Nanotecnología de la Universidad de Sungkyunkwan y Jae-Hyun Lee de la Universidad de Ajou y sus colegas tomaron grafeno monocristalino y transfirieron piezas espaciadas sobre un sustrato policristalino. Muestran en su informe que el crecimiento posterior de las piezas sobre los metales policristalinos les permite unir. Como todos han sido transferidos de la misma muestra, la celosía de cristal de cada pieza está orientada en la misma dirección, sin dejar límites de grano. "Si la temperatura de síntesis, gas usado, etc. se asume que son similares, se puede decir que el presupuesto térmico y el precio del sustrato se reducen a una cuarta parte, "explica Lee.

Crecimiento continuo

Lee explica que se les ocurrió la idea después de que una encuesta preliminar de la literatura destacó que la energía requerida para hacer crecer el grafeno desde el borde de la semilla de grafeno es teóricamente más baja que la energía requerida para la nucleación de nuevas semillas de grafeno. "En otras palabras, Se pensó que la nucleación adicional podría suprimirse fácilmente en condiciones de energía más baja (por ejemplo, baja concentración de precursor o baja temperatura de crecimiento) ".

Whang, Lee y sus colegas también tuvieron una ventaja para que el proceso funcionara. Su proceso de crecimiento sembrado depende del acceso a grafeno monocapa de cristal único de gran superficie, que tenían mucha experiencia en el crecimiento. Además, necesitaban una técnica capaz de transferir limpiamente las semillas alineadas a posiciones cuidadosamente espaciadas y alineadas en el sustrato policristalino. Afortunadamente, También habían demostrado previamente que cuando se cultiva grafeno en una faceta particular del germanio monocristalino, Ge (110), se forma una capa de hidrógeno en la interfaz entre el grafeno y el sustrato, facilitando la transferencia.

Incluso con la transferencia de Ge (110), los defectos inevitablemente se infiltran, pero los investigadores también pudieron demostrar que al reducir el metano durante un período durante el crecimiento, la tasa de grabado podría exceder la tasa de crecimiento, por lo que los defectos existentes podrían eliminarse.

Grafeno de grado electrónico

Para determinar qué tamaño de semilla y espaciado funcionaría mejor, Whang, Lee y sus colegas calcularon la longitud de difusión para las temperaturas y concentraciones de precursores utilizadas. Cortaron "semillas" de 10 μm de ancho de su muestra original de grafeno monocristalino y las transfirieron a platino policristalino espaciadas a 50 μm de distancia. Aquí, cultivaron grafeno monocristalino para cubrir un área de 2 cm x 2 cm. "Fue difícil crecer a tamaños más grandes debido a las limitaciones de nuestro sistema CVD, ", dice Lee." Pero creemos que nuestro enfoque se puede aplicar completamente al sustrato de catalizador grande ".

El platino policristalino no solo es mucho más barato, sino que podría reciclar el sustrato sin dañar la calidad del grafeno monocristalino resultante, por lo que cuesta alrededor de $ 100 dólares por cm. ² de sustrato en lugar de $ 2000. Esperan que si pueden cultivar las semillas transferidas en cobre policristalino o papel de aluminio, podrán reducir aún más los costes.

Los investigadores probaron las propiedades electrónicas del grafeno cultivado a partir de semillas transferidas mediante la construcción de dispositivos de transistores de efecto de campo que se extendían a ambos lados de los sitios de dos semillas transferidas. Las comparaciones de la movilidad de los electrones no mostraron una caída apreciable en la movilidad donde se unieron las semillas transferidas, dando 11, 811 V cm ^-1 s ^-1 para el grano izquierdo, 10, 844 para la derecha y 11, 063 V cm ^-1 s ^-1 entre ellos.

¿Otros materiales 2-D?

Los investigadores probaron la idea con grafeno porque se comprende bien su comportamiento de crecimiento. y en particular, solo está hecho de un tipo de átomo, carbón, lo que simplifica el proceso. Les gustaría aplicar el enfoque a materiales 2-D, pero necesitaría investigar cómo manejan los diferentes precursores de materiales 2-D no elementales.

"Hay muchas variables a considerar debido a las diferentes velocidades de solubilidad y difusión de cada elemento en el catalizador, "dice Lee". Sin embargo, si usamos un proceso que reacciona secuencialmente un precursor y otro precursor, como un proceso de deposición de capa atómica (ALD), que puede simplificar los parámetros del proceso, podría ser posible cultivar una monocapa cristalina única de varios materiales 2-D ".

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