Pesquisadores da Skoltech, MIPT, do Instituto RAS de Física do Estado Sólido, da Universidade de Aalto e de outros lugares propuseram a primeira técnica de síntese de grafeno que utiliza monóxido de carbono como fonte de carbono. É uma maneira rápida e barata de produzir grafeno de alta qualidade com equipamentos relativamente simples para uso em circuitos eletrônicos, sensores de gás, ótica e outros. O estudo foi publicado na revista Advanced Science .
A deposição química de vapor é a tecnologia padrão para sintetizar o grafeno, a folha de átomos de carbono de um átomo de espessura em um arranjo de favo de mel com propriedades incomparáveis ​​úteis para aplicações eletrônicas e muito mais. O CVD geralmente envolve átomos de carbono quebrando moléculas de gás e estabelecendo-se em um substrato como uma monocamada em uma câmara de vácuo. Um substrato popular é o cobre, e os gases utilizados são invariavelmente hidrocarbonetos:metano, propano, acetileno, álcool, etc.

"A ideia de sintetizar grafeno a partir de monóxido de carbono surgiu há muito tempo, pois esse gás é uma das fontes de carbono mais convenientes para o crescimento de nanotubos de carbono de parede simples. Temos experiência de trabalho com monóxido de carbono há quase 20 anos. , nossos primeiros experimentos com grafeno não tiveram sucesso e demoramos muito para entender como controlar a nucleação e o crescimento do grafeno. A beleza do monóxido de carbono está em sua decomposição exclusivamente catalítica, o que nos permitiu implementar síntese autolimitada de grandes cristais de grafeno de camada única, mesmo à pressão ambiente", diz o investigador principal do estudo, o professor Albert Nasibulin da Skoltech.

"Este projeto é um dos exemplos brilhantes de como os estudos fundamentais beneficiam as tecnologias aplicadas. As condições otimizadas que levam à formação de grandes cristais de grafeno tornaram-se viáveis ​​devido à compreensão do mecanismo cinético profundo para a formação e crescimento do grafeno verificado tanto pela teoria quanto pelo experimento ”, enfatiza um coautor do artigo, o cientista de pesquisa sênior Dmitry Krasnikov, da Skoltech.

O novo método se beneficia do princípio da chamada autolimitação. Em altas temperaturas, as moléculas de monóxido de carbono tendem a se decompor em átomos de carbono e oxigênio quando se aproximam do substrato de cobre. No entanto, uma vez que a primeira camada de carbono cristalino é depositada e separa o gás do substrato, essa tendência diminui, de modo que o processo naturalmente favorece a formação de uma monocamada. O CVD à base de metano também pode operar de maneira autolimitada, mas em menor grau.

"O sistema que usamos tem várias vantagens:o grafeno resultante é mais puro, cresce mais rápido e forma cristais melhores. Além disso, esse ajuste evita acidentes com hidrogênio e outros gases explosivos, eliminando-os completamente do processo", diz o primeiro autor, estagiário da Skoltech Artem Grebenko.

O fato de que o método exclui riscos de combustão significa que não é necessário vácuo. O aparelho funciona com pressão padrão, tornando-o muito mais simples do que o equipamento CVD convencional. O design simplificado, por sua vez, leva a uma síntese mais rápida. “Leva apenas 30 minutos para pegar um pedaço de cobre para retirar o grafeno”, diz Grebenko.

Como o vácuo não é mais necessário, o equipamento não apenas funciona mais rápido, mas também fica mais barato. "Depois de largar o hardware de ponta para gerar vácuo ultra-alto, você pode realmente montar nossa 'solução de garagem' por não mais de US$ 1.000", enfatiza o pesquisador.

O coautor do estudo Boris Gorshunov, professor do MIPT, enfatiza a alta qualidade do material resultante:, podemos dizer com confiança que o nosso é de fato grafeno de alta qualidade que pode competir com o material produzido via CVD de outros gases. O material resultante é cristalino, puro e vem em pedaços grandes o suficiente para serem usados ​​em eletrônica."

Além das aplicações padrão do grafeno como tal, existem possibilidades intrigantes para o uso de grafeno ligado ao substrato de cobre - sem remover o metal. Comparado com o metano, o monóxido de carbono tem uma energia muito alta de adesão ao metal. Isso significa que, à medida que a deposição ocorre, o grafeno protege a camada de cobre das reações químicas e a dota de estrutura, criando uma superfície metálica altamente desenvolvida que possui grandes propriedades catalíticas. Alguns outros metais, como o rutênio e o paládio, também funcionariam nesse contexto para abrir caminho para novos materiais com superfícies incomuns. + Explorar mais

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