Uma abordagem que produz folhas de grafeno de cristal único em suportes eletricamente isolantes em larga escala pode ajudar no desenvolvimento de dispositivos baseados em nanomateriais de próxima geração, como telas sensíveis ao toque muito leves e finas, eletrônicos vestíveis e células solares.
A maioria dos dispositivos eletrônicos baseados em grafeno requer suportes isolantes. No entanto, filmes de grafeno de alta qualidade destinados ao uso industrial normalmente são cultivados em um substrato metálico, como folha de cobre, antes de serem transferidos para um suporte isolante para fabricação de dispositivos. Esta etapa de transferência pode introduzir impurezas que afetam o desempenho do dispositivo. Os esforços para cultivar grafeno em suportes isolantes não foram capazes de produzir os monocristais de alta qualidade necessários.

"Se o grafeno pode ser cultivado em um substrato isolante com uma interface limpa, alguns dispositivos podem funcionar melhor", diz Ph.D. estudante Bo Tian, ​​que co-liderou o estudo sob a supervisão de Xixiang Zhang. "Isso também abre as portas para novos tipos de nanodispositivos baseados em grafeno", explica ele.

Zhang, Tian e colegas de trabalho da Ásia e da Europa ajustaram o método de deposição de vapor químico, que se baseia na decomposição catalisada por cobre do metano em precursores de carbono, para gerar monocamadas de grafeno de cristal único suaves em substratos de cristal único em escala de wafer chamados c-plane safira.

Os pesquisadores converteram a folha de cobre policristalina em sua contraparte de cristal único Cu (111) na superfície da safira e introduziram átomos de carbono ativos da decomposição do metano catalisada pelo substrato metálico no filme resultante. Os átomos de carbono se difundiram através do filme metálico em direção à interface cobre-safira, que atuou como um molde, e formaram ilhas de grafeno bem orientadas que, após vários ciclos de crescimento, se fundiram para produzir uma folha.

Além de interações superficiais fracas, o filme de cobre e a safira apresentaram simetria de rede cristalina semelhante à do grafeno, diz Tian, ​​o que explica a alta cristalinidade da monocamada de grafeno.

Os pesquisadores gravaram qualquer grafeno que se acumulou no topo do filme de cobre usando um plasma de hidrogênio-argônio para facilitar a difusão de carbono. Eles imergiram as amostras em nitrogênio líquido antes de aquecê-las rapidamente a 500 graus Celsius, facilitando a remoção do filme de cobre, mantendo a monocamada de grafeno intacta.

Os transistores de efeito de campo fabricados na monocamada de grafeno monocristal de safira apresentaram excelente desempenho com mobilidades de portadoras mais altas. O desempenho eletrônico superior do grafeno cultivado em safira resulta de sua maior cristalinidade e menos dobras na superfície, explica Tian.

“Nossa equipe agora está tentando desenvolver outros materiais bidimensionais no grafeno suportado por isolador para construir heteroestruturas funcionalizadas em larga escala”, diz Tian. Espera-se que essas heteroestruturas mantidas juntas por interações de van der Waals sejam úteis em futuros nanodispositivos. + Explorar mais

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