Novas observações podem melhorar a produção industrial de grafeno de alta qualidade, acelerando a era dos eletrônicos de consumo baseados em grafeno, graças aos engenheiros da Universidade de Illinois.

Ao combinar dados de várias técnicas de imagem, a equipe descobriu que a qualidade do grafeno depende da estrutura cristalina do substrato de cobre em que ele cresce. Liderados pelos professores de engenharia elétrica e da computação Joseph Lyding e Eric Pop, os pesquisadores publicaram suas descobertas no jornal Nano Letras .

“O grafeno é um material muito importante, "Lyding disse." O futuro da eletrônica pode depender disso. A qualidade de sua produção é um dos principais problemas não resolvidos da nanotecnologia. Este é um passo na direção de resolver esse problema. "

Para produzir grandes folhas de grafeno, o gás metano é canalizado para uma fornalha contendo uma folha de folha de cobre. Quando o metano atinge o cobre, as ligações carbono-hidrogênio se rompem. O hidrogênio escapa como gás, enquanto o carbono adere à superfície de cobre. Os átomos de carbono se movem até que se encontrem e se unam para formar o grafeno. O cobre é um substrato atraente porque é relativamente barato e promove o crescimento de grafeno de camada única, o que é importante para aplicações eletrônicas.

"É um ótimo custo-benefício, maneira simples de fazer grafeno em grande escala, "disse Joshua Wood, um estudante de graduação e o principal autor do artigo.

"Contudo, isso não leva em consideração as sutilezas do cultivo de grafeno, "disse ele." Compreender essas sutilezas é importante para fazer alta qualidade, eletrônicos de alto desempenho. "

Enquanto o grafeno cultivado em cobre tende a ser melhor do que o grafeno cultivado em outros substratos, permanece cheio de defeitos e seções multicamadas, impossibilitando aplicações de alto desempenho. Os pesquisadores especularam que a rugosidade da superfície do cobre pode afetar o crescimento do grafeno, mas o grupo de Illinois descobriu que a estrutura de cristal do cobre é mais importante.

As folhas de cobre são uma colcha de retalhos de diferentes estruturas de cristal. Conforme o metano cai na superfície da folha, as formas dos cristais de cobre que encontra afetam o quão bem os átomos de carbono formam o grafeno.

Diferentes formatos de cristal são atribuídos a números de índice. Usando várias técnicas avançadas de imagem, a equipe de Illinois descobriu que manchas de cobre com números de índice mais altos tendem a ter crescimento de grafeno de qualidade inferior. Eles também descobriram que duas estruturas de cristal comuns, numerado (100) e (111), têm o pior e o melhor crescimento, respectivamente. Os (100) cristais têm uma forma cúbica, com grandes lacunas entre os átomos. Enquanto isso, (111) tem uma estrutura hexagonal densamente compactada.

"Na configuração (100), os átomos de carbono são mais propensos a ficarem nos buracos do cobre no nível atômico, e, em seguida, eles empilham verticalmente em vez de se espalhar e crescer lateralmente, "Wood disse." A superfície (111) é hexagonal, e o grafeno também é hexagonal. Não quer dizer que haja uma combinação perfeita, mas que há uma correspondência preferencial entre as superfícies. "

Os pesquisadores agora se deparam com o equilíbrio entre o custo de todo o cobre (111) e o valor da alta qualidade, grafeno sem defeitos. É possível produzir cobre de cristal único, mas é difícil e proibitivamente caro.

A equipe da U. de I. especula que pode ser possível melhorar a fabricação da folha de cobre para que ela tenha uma porcentagem maior de (111) cristais. Grafeno cultivado em tal folha não seria ideal, mas pode ser "bom o suficiente" para a maioria dos aplicativos.

"A questão é, como otimizá-lo e, ao mesmo tempo, manter a relação custo-benefício para as aplicações tecnológicas? ", disse Pop, um co-autor do artigo. "Como uma comunidade, ainda estamos escrevendo o livro de receitas do grafeno. Estamos constantemente refinando nossas técnicas, experimentar novas receitas. Como acontece com qualquer tecnologia em sua infância, ainda estamos explorando o que funciona e o que não funciona. "

Próximo, os pesquisadores esperam usar sua metodologia para estudar o crescimento de outros materiais bidimensionais, incluindo isoladores para melhorar o desempenho do dispositivo de grafeno. Eles também planejam acompanhar suas observações cultivando grafeno em cobre de cristal único.

"Há muita confusão no negócio do grafeno agora, "Lyding disse." O fato de que há uma diferença observacional clara entre esses diferentes índices de crescimento ajuda a orientar a pesquisa e provavelmente levará a mais experimentos quantitativos, bem como a uma melhor modelagem. Este jornal está canalizando as coisas nessa direção. "