Em 2004, a comunidade da física estava apenas começando a reconhecer a existência de material verdadeiramente bidimensional (2-D), grafeno. Avançando para 2019, e os cientistas estão explorando uma variedade de materiais 2-D para descobrir mais de suas propriedades fundamentais. O frenesi por trás desses novos materiais 2-D reside em suas propriedades fascinantes - materiais diluídos em apenas alguns átomos funcionam de maneira muito diferente dos materiais 3-D. Os elétrons agrupados na camada mais fina de todos os tempos apresentam características distintas, além de estarem em uma "rede frouxa". Também sendo flexível, Os materiais 2-D podem apresentar propriedades elétricas distintas, abrindo novos aplicativos para tecnologias de próxima geração, como dispositivos dobráveis ​​e vestíveis.

Então, Qual é o problema? Muitos parâmetros, como temperatura, pressão, o tipo de precursor e a taxa de fluxo precisam ser fatorados na síntese CVD de materiais 2-D. Com múltiplas reações envolvidas, é extremamente difícil otimizar todos esses fatores durante as reações e encontrar suas melhores combinações. Dito isso, A síntese de material 2-D é difícil de controlar. Os cientistas tentaram acelerar o crescimento de materiais 2-D adotando diferentes substratos, matérias-primas e temperatura. Ainda, apenas alguns tipos de materiais 2-D podem ser sintetizados em grandes áreas, filmes de alta qualidade.

Cientistas do Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM), dentro do Instituto de Ciências Básicas (IBS) do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan (UNIST) e colaboradores demonstraram que o flúor, tendo a tendência mais forte de atrair elétrons (ou seja, eletronegatividade) em todos os elementos, pode acelerar a reação química para fazer crescer três materiais 2-D representativos; grafeno, h-BN, e WS2. O flúor requer apenas um elétron para atingir uma alta estabilidade. Também, tendo sete elétrons na órbita mais externa de um átomo, a distância em que esses elétrons de valência residem é o mínimo em comparação com outros elementos. Isso significa que os elétrons de valência do flúor estão ligados ao átomo com mais força do que qualquer outro átomo, tornando o flúor o elemento mais ativo da tabela periódica.

Na verdade, gases ativos como hidrogênio ou oxigênio são amplamente usados ​​para ajustar o crescimento de grafeno e outros materiais 2-D. "Então, por que não o elemento mais ativo, flúor? A maior eletronegatividade permite que o flúor forme ligações com quase todos os átomos da tabela periódica, portanto, espera-se que mude as rotas de reação de muitos processos químicos, "disse o professor Feng Ding, o autor correspondente deste estudo.

Experimentalmente, não é preferível introduzir flúor durante o crescimento de um material, já que o flúor se torna altamente tóxico no reator. Para resolver o problema, em vez de usar gás flúor diretamente, os cientistas confinaram espacialmente o suprimento de flúor de forma que apenas a quantidade mínima de flúor seja consumida. Eles colocaram um substrato de flúor metálico (MF ₂ ) abaixo de uma folha de Cu com uma lacuna muito estreita entre eles. Em alta temperatura, radicais de flúor são liberados da superfície do flúor e espacialmente presos na estreita lacuna entre a folha de Cu e o substrato de flúor metálico. Surpreendentemente, uma mudança tão simples leva a uma taxa de crescimento recorde de grafeno de 12 mm por minuto. Para colocar essa taxa em perspectiva, esta nova abordagem reduz o tempo de crescimento de 10 cm ² grafeno de 10 minutos com métodos anteriores, agora caiu para apenas três minutos.

A introdução do flúor local muda completamente a rota de decomposição do metano. Como o flúor liberado da superfície do metal fluorado reage facilmente com o gás metano, haverá uma quantidade suficiente de CH ³ F ou CH ² F ² moléculas na lacuna entre Cu e BaF ² substratos. Essas moléculas podem se decompor em uma superfície de Cu com muito mais facilidade do que o CH4. Em outras palavras, eles alimentam melhor o crescimento do grafeno, fornecendo mais radicais de carbono ativos (ou seja, CH ³ , CH ² , CH e C).

Outros estudos experimentais mostraram que a estratégia de fornecimento local de flúor pode acelerar muito o crescimento de outros materiais 2-D, como h-BN e WS2, também. Os cientistas investigaram como o flúor confinado espacialmente é capaz de acelerar o crescimento de materiais 2-D. Estudos teóricos revelaram que o flúor, sendo altamente reativo, prontamente interage com as moléculas de metano. A existência de flúor leva à formação de CH ³ F ou CH ² F ² moléculas. Essas moléculas altamente ativas podem ser mais facilmente decompostas na superfície da folha de Cu, o que acelera muito o suprimento de carbono para um rápido crescimento de grafeno.

Embora o mecanismo detalhado do flúor que estimula o crescimento de h-BN e WS2 não seja claro, os autores estão confiantes de que a presença de flúor pode modificar significativamente as reações de crescimento dos materiais 2-D. "Prevemos que este suprimento local de flúor facilitará prontamente o rápido crescimento de materiais 2-D amplos ou permitirá o crescimento de novos materiais 2-D, o que é muito difícil de perceber por outros métodos, "disse o professor Feng Ding. Além do flúor, existem tipos abundantes de substratos como sulfuretos, selenides, cloretos ou brometos que podem ser usados ​​como fontes de abastecimento local de diferentes materiais ativos, que fornece uma plataforma ampla o suficiente para modular o crescimento de materiais 2-D amplos.