(a, b) Imágenes SEM y (c) Imagen de fase AFM de pliegues de grafeno en una película de grafeno monocristalino sin capa sobre una lámina de Cu (111). (d) Esquema del mecanismo de formación de pliegues de grafeno durante el proceso de enfriamiento. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
Un equipo de investigadores dirigido por el director Rod Ruoff en el Centro de Materiales de Carbono Multidimensional (CMCM) dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS), incluidos estudiantes de posgrado en el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST), han logrado el crecimiento y la caracterización de una gran superficie, grafeno monocristalino que no tiene arrugas, pliegues o adlayers. Puede que sea el grafeno más perfecto que se ha cultivado y caracterizado hasta la fecha. La investigación ha sido publicada en la revista Naturaleza .
El director Ruoff dice:"Este avance pionero se debió a muchos factores que contribuyeron, incluyendo el ingenio humano y la capacidad de los investigadores de CMCM para producir láminas de Cu-Ni (111) monocristalinas de gran superficie de forma reproducible, en el que se cultivó el grafeno mediante deposición química de vapor (CVD) utilizando una mezcla de etileno con hidrógeno en una corriente de gas argón ". Estudiante Meihui Wang, Dr. Ming Huang, y el Dr. Da Luo, junto con Ruoff, llevaron a cabo una serie de experimentos de cultivo de grafeno monocristalino y monocapa en láminas de Cu-Ni (111) "caseras" a diferentes temperaturas.
El equipo había informado previamente películas de grafeno de cristal único y sin capa que se cultivaron utilizando metano a temperaturas de ~ 1320 grados Kelvin (K) en láminas de Cu (111). Adlayers se refiere a pequeñas "islas" de regiones que tienen otra capa de grafeno presente. Sin embargo, estas películas siempre contenían "pliegues" largos que son consecuencia de las arrugas altas que se forman cuando el grafeno se enfría desde la temperatura de crecimiento hasta la temperatura ambiente. Esto da como resultado una reducción no deseada en el rendimiento del transistor de efecto de campo de grafeno (GFET) si el "pliegue" está en la región activa de GFET. Los pliegues también contienen "grietas" que reducen la resistencia mecánica del grafeno.
El siguiente desafío emocionante fue eliminar estos pliegues.
(a) Imagen óptica, (b) imagen TEM (microscopio electrónico de transmisión) de resolución atómica, y (c) patrón representativo de difracción de electrones de área seleccionada (SAED) de una película de grafeno sin capa libre de pliegues crecida sobre una lámina de Cu-Ni (111) fabricada por CMCM. (d) Un sistema de horno CVD de tubo de cuarzo de 6 pulgadas utilizado para evaluar la producción escalable de películas de grafeno sin pliegues monocristalinos sobre láminas de aleación de Cu-Ni (111) monocristalino. (e) Se colgaron 5 piezas de láminas de aleación de Cu-Ni (111) de 4 cm x 7 cm en un soporte de cuarzo y se cultivó grafeno en ambos lados de cada lámina. (f) Fotografía de la película de grafeno monocristalino sin pliegues de 4 cm x 7 cm que creció en el sistema CVD de 6 pulgadas que se muestra en (e) y luego se transfirió a una oblea de silicio de 4 pulgadas de diámetro. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
Los investigadores de CMCM implementaron por primera vez una serie de experimentos de "ciclos" que implicaban "ciclos" de temperatura inmediatamente después de cultivar el grafeno a 1320 K. Estos experimentos mostraron que los pliegues se forman en o por encima de 1, 020 K durante el proceso de enfriamiento. Después de aprender esto, el equipo decidió cultivar grafeno en láminas de Cu-Ni (111) a varias temperaturas diferentes alrededor de 1, 020 K, lo que condujo al descubrimiento de que una gran superficie, alta calidad, libre de pliegues y las películas de grafeno monocristalino sin capa se pueden cultivar en un rango de temperatura entre 1, 000 K y 1, 030 K. "Esta película de grafeno sin pliegues se forma como un solo cristal sobre todo el sustrato de crecimiento porque muestra una sola orientación en un área grande difracción de electrones de baja energía (LEED) patrones, "señaló SEONG Won Kyung, un investigador senior en CMCM que instaló el equipo LEED en el centro. Luego, los GFET fueron modelados en este grafeno sin pliegues de cristal único en una variedad de direcciones por el estudiante graduado de UNIST Yunqing Li. Estos GFET mostraron un rendimiento notablemente uniforme con una movilidad media de electrones y huecos a temperatura ambiente de 7,0 ± 1,0 × 10 3 cm 2 V -1 s -1 .
Li dice:"Un rendimiento tan notablemente uniforme es posible porque la película de grafeno sin pliegues es un monocristal sin prácticamente imperfecciones".
En tono rimbombante, el equipo de investigación pudo lograr "escalar" la producción de grafeno utilizando este método. El grafeno se cultivó con éxito en 5 láminas (dimensión 4 cm x 7 cm) simultáneamente en un horno de cuarzo casero de 6 pulgadas de diámetro. "Nuestro método de cultivo de películas de grafeno sin pliegues es muy reproducible, con cada lámina produciendo dos piezas idénticas de películas de grafeno de alta calidad en ambos lados de la lámina, "y" Al utilizar el método de transferencia de burbujeo electroquímico, el grafeno se puede deslaminar en aproximadamente un minuto y la lámina de Cu-Ni (111) se puede preparar rápidamente para el siguiente ciclo de crecimiento / transferencia, "señala Meihui Wang. Ming Huang agrega:"Cuando probamos la pérdida de peso de las láminas de Cu-Ni (111) después de cinco ciclos de crecimiento y transferencias, la pérdida neta fue de solo 0,0001 gramos. Esto significa que nuestros métodos de crecimiento y transferencia que utilizan Cu-Ni (111) se pueden realizar repetidamente, esencialmente indefinidamente ".
En el proceso de lograr grafeno monocristalino sin pliegues, los investigadores también descubrieron las razones detrás de la formación de estos pliegues. El estudiante CHOE Myeonggi y el profesor LEE Zonghoon (líder de grupo en CMCM y profesor de UNIST) realizaron imágenes de TEM de alta resolución para observar las secciones transversales de las muestras que crecieron por encima de 1, 040 K. Descubrieron que la adhesión muerta, que es la causa de los pliegues, se inicia en las regiones de "borde de escalón agrupado" entre las mesetas de cristal único de Cu-Ni (111). "Esta adhesión muerta en las regiones agrupadas del borde del escalón desencadena la formación de pliegues de grafeno perpendiculares a la dirección del borde del escalón, "señaló el co-autor correspondiente Luo. Ruoff señala además que" Descubrimos que el agrupamiento escalonado de una superficie de lámina de Cu-Ni (111) ocurre repentinamente en aproximadamente 1, 030 K, y esta 'reconstrucción de la superficie' es la razón por la cual la temperatura crítica de crecimiento del grafeno libre de pliegues está en ~ 1, 030 K o menos ".
Esta película de grafeno monocristalino sin pliegues de gran área permite la fabricación sencilla de dispositivos integrados de alto rendimiento orientados en cualquier dirección sobre toda la película de grafeno. Estas películas de grafeno monocristalino serán importantes para futuros avances en la ciencia básica, que dará lugar a nuevas aplicaciones en electrónica, fotónico mecánico, térmico, y otras áreas. El grafeno casi perfecto también es útil para apilar, ya sea consigo mismo y / o con otros materiales 2D, para ampliar aún más la gama de posibles aplicaciones. Dado que las láminas de Cu-Ni (111) se pueden utilizar repetidamente y que el grafeno se puede transferir a otros sustratos en menos de un minuto, la fabricación escalable que utiliza este proceso también es muy prometedora.
