El grafeno ha sido llamado "el material maravilloso del siglo XXI". Desde su descubrimiento en 2004, el material (una sola capa de átomos de carbono) ha sido promocionado por su serie de propiedades únicas, que incluyen una conductividad eléctrica ultraalta y una notable resistencia a la tracción. Tiene el potencial de transformar la electrónica, el almacenamiento de energía, los sensores, los dispositivos biomédicos y más. Pero el grafeno tiene un secretito sucio:es sucio.
Ahora, ingenieros de la Universidad de Columbia y colegas de la Universidad de Montreal y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología están preparados para limpiar las cosas con un método de deposición química de vapor sin oxígeno (OF-CVD) que puede crear muestras de grafeno de alta calidad en escala.
Su trabajo, publicado el 29 de mayo en Nature demuestra directamente cómo las trazas de oxígeno afectan la tasa de crecimiento del grafeno e identifica el vínculo entre el oxígeno y la calidad del grafeno por primera vez.
"Demostramos que eliminar prácticamente todo el oxígeno del proceso de crecimiento es la clave para lograr una síntesis de grafeno CVD reproducible y de alta calidad", dijo el autor principal James Hone, profesor Wang Fong-Jen de Ingeniería Mecánica en Columbia Engineering. "Este es un hito hacia la producción a gran escala de grafeno."
Históricamente, el grafeno se ha sintetizado de dos maneras. Existe el método de la "cinta adhesiva", en el que se pelan capas individuales de una muestra masiva de grafito (el mismo material que encontrarás en la mina de un lápiz) usando cinta adhesiva doméstica.
Estas muestras exfoliadas pueden estar bastante limpias y libres de impurezas que de otro modo interferirían con las propiedades deseables del grafeno. Sin embargo, tienden a ser demasiado pequeños (solo unas pocas decenas de micrómetros de ancho) para aplicaciones a escala industrial y, por lo tanto, son más adecuados para la investigación de laboratorio.
Para pasar de las exploraciones de laboratorio a las aplicaciones del mundo real, los investigadores desarrollaron un método para sintetizar grafeno de gran superficie hace unos 15 años. Este proceso, conocido como crecimiento CVD, hace pasar un gas que contiene carbono, como el metano, sobre una superficie de cobre a una temperatura lo suficientemente alta (alrededor de 1000 °C) como para que el metano se rompa y los átomos de carbono se reorganicen para formar un solo panal. capa moldeada de grafeno.
El crecimiento de CVD se puede ampliar para crear muestras de grafeno de centímetros o incluso metros de tamaño. Sin embargo, a pesar de años de esfuerzos por parte de grupos de investigación de todo el mundo, las muestras sintetizadas mediante CVD han sufrido problemas de reproducibilidad y calidad variable.
El problema era el oxígeno. En publicaciones anteriores, los coautores Richard Martel y Pierre Levesque de Montreal habían demostrado que pequeñas cantidades de oxígeno pueden ralentizar el proceso de crecimiento e incluso eliminar el grafeno. Así, hace unos seis años, Christopher DiMarco, GSAS'19, diseñó y construyó un sistema de crecimiento CVD en el que se podía controlar cuidadosamente la cantidad de oxígeno introducido durante el proceso de deposición.
Doctorado actual. Los estudiantes Xingzhou Yan y Jacob Amontree continuaron el trabajo de DiMarco y mejoraron aún más el sistema de crecimiento. Descubrieron que cuando se eliminaban las trazas de oxígeno, el crecimiento de las enfermedades cardiovasculares era mucho más rápido y obtenían los mismos resultados en todo momento. También estudiaron la cinética del crecimiento del grafeno CVD sin oxígeno y descubrieron que un modelo simple podría predecir la tasa de crecimiento en una variedad de parámetros diferentes, incluida la presión y la temperatura del gas.
La calidad de las muestras cultivadas con OF-CVD resultó prácticamente idéntica a la del grafeno exfoliado. En colaboración con colegas del departamento de física de Columbia, su grafeno mostró evidencia sorprendente del efecto Hall cuántico fraccional bajo campos magnéticos, un fenómeno cuántico que anteriormente solo se había observado en sistemas eléctricos bidimensionales de ultra alta calidad.
A partir de aquí, el equipo planea desarrollar un método para transferir limpiamente su grafeno de alta calidad desde el catalizador de crecimiento del metal a otros sustratos funcionales como el silicio, la última pieza del rompecabezas para aprovechar al máximo este maravilloso material.
"Ambos quedamos fascinados por el grafeno y su potencial como estudiantes universitarios", dijeron Amontree y Yan. "Realizamos innumerables experimentos y sintetizamos miles de muestras durante los últimos cuatro años de nuestros doctorados. Ver que este estudio finalmente se haga realidad es un sueño hecho realidad".
Más información: Síntesis reproducible de grafeno mediante deposición química de vapor sin oxígeno, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07454-5. www.nature.com/articles/s41586-024-07454-5
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia
