Los investigadores han utilizado el crecimiento directo de deposición química de vapor (CVD) de grafeno de alta calidad a escala de oblea en dieléctricos para aplicaciones versátiles. Sin embargo, el grafeno sintetizado de esta manera ha mostrado una película policristalina con defectos no controlados, baja movilidad del portador y alta resistencia a la calle; por lo tanto, los investigadores pretenden introducir nuevos métodos para desarrollar grafeno a escala de obleas. En un nuevo informe publicado ahora en Science Advances , Zhaolong Chen y un equipo de investigación internacional en nanoquímica, materiales inteligentes y física, en China, Reino Unido y Singapur, describieron el crecimiento directo de grafeno monocapa altamente orientado en películas de obleas de zafiro. Lograron la estrategia de crecimiento mediante el diseño de un CVD de inducción electromagnética a temperatura elevada. La película de grafeno desarrollada de esta manera mostró una movilidad del portador marcadamente mejorada y una resistencia de hoja reducida.

El desarrollo y las aplicaciones del grafeno en los materiales.

El grafeno tiene una buena robustez mecánica, una alta movilidad de portadores, mayor transparencia óptica y es prometedor para aplicaciones de alta frecuencia, así como electrodos conductores transparentes. La dispersión lineal de los electrones Dirac del grafeno también puede permitir dispositivos de destino, incluidos fotodetectores y moduladores ópticos. La mayoría de estas aplicaciones se basan en el uso de grafeno monocristalino a escala de obleas sin contaminación ni roturas. Si bien antes se producía fácilmente grafeno de alta movilidad a escala de obleas, la uniformidad del número de capas sigue siendo insatisfactoria en toda la oblea. Por tanto, los investigadores trataron de facilitar la síntesis directa de grafeno sobre óxido de silicio, nitruro de boro hexagonal (hBN) y vidrio mediante el uso de técnicas convencionales de deposición de vapor químico. En este trabajo, Chen et al. presentó el crecimiento directo de películas de grafeno monocapa altamente orientadas y continuas a escala de oblea sobre zafiro a través de un método de deposición de vapor químico basado en el calentamiento por inducción electromagnética. Este enfoque de crecimiento directo de películas de grafeno altamente orientadas en obleas de zafiro allanó el camino hacia la electrónica y la fotónica de grafeno emergentes.

Los experimentos:Grafeno sobre zafiro

Durante los experimentos, Chen et al. utilizó calentamiento por inducción electromagnética como fuente de calor del sistema de deposición química de vapor (CVD) para ampliar el espacio de parámetros de crecimiento durante el crecimiento de grafeno de alta calidad. El reactor permitió un aumento rápido de la temperatura a 1400 grados Celsius en 10 minutos. El proceso permitió una regulación precisa del suministro de carbón activo para el crecimiento homogéneo de grafeno monocapa. Para comprender el papel del zafiro durante la formación del grafeno, el equipo realizó cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) para revelar la orientación preferida del dominio del grafeno en el zafiro. Para lograr esto, modelaron la adsorción de un pequeño grupo de grafeno (C₂₄ H₁₂ ) sobre una losa de óxido de aluminio. El modelo mostró la posibilidad de crecimiento de grafeno altamente orientado a escala de oblea en zafiro, después de un mecanismo de crecimiento guiado por acoplamiento de interfaz. La temperatura elevada durante el crecimiento facilitó suficiente pirólisis de metano y la migración eficiente del carbón activo adsorbido en el zafiro para promover la tasa de crecimiento y la calidad del cristal. Una película continua de grafeno cubrió la oblea de zafiro de 2 pulgadas en 30 minutos con alta transparencia.

Caracterización de la película de grafeno en la oblea de zafiro

Usando microscopía electrónica de barrido (SEM), Chen et al. notó un contraste homogéneo del grafeno monocapa en cobertura total, sin vacíos. Usando espectros Raman del grafeno producido en zafiro, identificaron señales Raman indicativas de una monocapa de grafeno de alta calidad y confirmaron su uniformidad a lo largo de la escala de oblea. Los resultados de microscopía óptica mostraron de manera similar un contraste óptico uniforme sin ninguna contaminación o capas secundarias visibles. Usando microscopía de fuerza atómica, luego identificaron otras características del grafeno monocapa cultivado por el método CVD (deposición química de vapor). El análisis adicional con microscopía electrónica de transmisión (TEM) mostró una alta uniformidad sin contaminación. La configuración experimental permitió el crecimiento de grafeno monocapa en ausencia de grandes grupos de carbono en la fase gaseosa y la presencia de carbonos individuales que alcanzan la superficie del grafeno para migrar rápidamente al borde del grafeno. Para comprender las orientaciones de la red de la monocapa de grafeno sobre zafiro, el equipo realizó una caracterización por difracción de electrones de baja energía y reveló la naturaleza altamente orientada del grafeno del tamaño de una oblea. Para verificar aún más la información estructural del material, realizaron mediciones de difracción de electrones en áreas seleccionadas y también observaron la arquitectura de red de panal del grafeno utilizando imágenes TEM resueltas atómicamente. La configuración experimental permitió que los núcleos alcanzaran la orientación más estable.

Más experimentos

Chen et al. a continuación, realizó una microscopía de túnel de barrido (STM) para investigar el estado de unión de los dominios de grafeno. La imagen STM también reveló una red de panal, alineada sin ningún defecto. La imagen resuelta atómicamente destacó aún más la presencia de una película continua con un límite de grano pequeño. El trabajo también confirmó la exitosa escalada de los escalones de zafiro causados ​​por la reducción térmica de carbono del zafiro. Los estados de densidad en forma de V junto con el rasgo característico en forma de cono de Dirac del grafeno de una sola capa coincidieron con la arquitectura de panal para restablecer la alta calidad y pureza de la película altamente orientada del grafeno así cultivado. A continuación, los científicos realizaron mediciones macroscópicas de transporte de cuatro sondas para evaluar la conductividad eléctrica a gran escala del grafeno de alta calidad en crecimiento sobre obleas de zafiro. Observaron un mapa de resistencia de lámina de una oblea de grafeno/zafiro de 2 pulgadas, con un valor promedio tan bajo como 587 ± 40 ohmios. El resultado fue notablemente superior en comparación con los del grafeno cultivado directamente en sustratos de vidrio. Luego, el equipo midió la movilidad del efecto de campo del grafeno en el zafiro y registró su densidad de portadores. Los valores también fueron notablemente más altos que los observados con grafeno cultivado directamente sobre sustratos dieléctricos y metales. Los resultados son prometedores en aplicaciones electrónicas y optoelectrónicas.

Perspectiva

De esta manera, Zhaolong Chen y sus colegas desarrollaron un método para el crecimiento directo de una película de grafeno monocapa altamente orientada, continua y a escala de oblea sobre zafiro utilizando una ruta CVD de calentamiento por inducción electromagnética. El método sintético facilitó un aumento rápido de la temperatura hasta 1400 Celsius en 10 minutos para una pirólisis eficiente de la materia prima de carbono para permitir la rápida migración de especies activas. Esta ruta sintética eficiente y confiable de grafeno monocapa de alta calidad en oblea de zafiro fue compatible con los procesos de semiconductores y, en última instancia, puede promover la industrialización y la electrónica de grafeno de alto rendimiento. + Explora más

Monocapa ultragrande monocristalina WS2

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