O que está sob as ilhas crescentes de grafeno é importante para suas propriedades, de acordo com um novo estudo conduzido pela Rice University.

Cientistas da Rice analisaram padrões de grafeno - uma folha de carbono com um átomo de espessura - cultivada em uma fornalha por deposição química de vapor. Eles descobriram que a relação geométrica entre o grafeno e o substrato, o material subjacente no qual o carbono se reúne átomo por átomo, determina como as formas da ilha emergem.

O estudo liderado pelo físico teórico de Rice Boris Yakobson e o pesquisador de pós-doutorado Vasilii Artyukhov mostra como o arranjo cristalino de átomos em substratos comumente usados ​​no crescimento de grafeno, como níquel ou cobre, controla como as ilhas se formam. Os resultados apareceram hoje em Cartas de revisão física .

"Os experimentos que mostram as incríveis propriedades eletrônicas do grafeno são normalmente feitos em grafeno esfoliado mecanicamente, "Artyukhov disse." Isso o limita em termos de tamanho do floco, e é caro se você precisar de muito material. Então, todo mundo está tentando encontrar uma maneira melhor de cultivá-lo a partir de gases como o metano (a fonte dos átomos de carbono) usando diferentes metais de substrato. O problema é, os cristais resultantes parecem diferentes de substrato para substrato, mesmo que seja tudo grafeno. "

Yakobson disse que os pesquisadores costumam ver ilhas de grafeno de formato estranho crescidas por deposição de vapor químico, "e todos nós nos perguntamos por quê. Em geral, isso é muito surpreendente, porque no grafeno, os seis lados devem ser idênticos. "Triângulos e outras formas, ele disse, são exemplos de quebra de simetria; sistemas que de outra forma produziriam formas regulares "quebram" e produzem formas menos regulares.

O grafeno se forma em um forno de deposição de vapor químico quando átomos de carbono flutuando na névoa quente se assentam no substrato metálico. Os átomos se ligam em anéis característicos de seis lados, mas à medida que uma ilha cresce, sua forma geral pode assumir várias formas, de hexágonos a hexágonos alongados para estruturas mais aleatórias, até triângulos. Os pesquisadores descobriram uma forte correlação entre a forma final da ilha e o arranjo dos átomos na superfície exposta do substrato, que pode ser triangular, quadrado, retangular ou não.

Os pesquisadores descobriram que átomos individuais seguem o roteiro estabelecido pelo substrato, conforme ilustrado por uma imagem de microscópio de dois grãos de substrato de cobre que hospedam duas formas distintas de grafeno, mesmo que as condições de crescimento sejam idênticas. Em um grão, as ilhas de grafeno são quase hexágonos perfeitos; no outro, as ilhas hexagonais são alongadas e alinhadas.

"A imagem mostra que os mecanismos básicos de crescimento são os mesmos, mas a diferença nas ilhas se deve às diferenças sutis entre as superfícies cristalográficas do grafeno e do cobre, "Yakobson disse.

Como as bordas do grafeno são tão importantes para suas propriedades eletrônicas, qualquer passo para entender seu crescimento é importante, ele disse. Se uma borda de grafeno termina em um zigue-zague, uma poltrona ou algo intermediário depende de como os átomos individuais entram em equilíbrio à medida que equilibram as energias entre os átomos de carbono vizinhos e os do substrato.

Os átomos em metais formam um arranjo específico, uma estrutura de cristal, como uma rede de cobre puro chamada "cúbica centrada na face". Mas grãos individuais podem ter superfícies diferentes em material policristalino, como folhas de cobre freqüentemente usadas como substratos de crescimento de grafeno.

"Dependendo da maneira como você corta um cubo ao meio, você pode acabar ficando quadrado, faces retangulares ou mesmo triangulares, "Artyukhov disse." A superfície da folha de cobre pode ter diferentes texturas em diferentes lugares. A microscopia eletrônica mostrou que todas as ilhas de grafeno crescendo no mesmo grão de cobre tendem a ter uma forma semelhante, por exemplo, todos os hexágonos perfeitos, ou todos alongados. "

Ele disse que as ilhas herdam a simetria das superfícies dos grãos e crescem mais rápido em algumas direções, o que explica a distribuição peculiar das formas.

Quando o processo de crescimento é longo o suficiente, as ilhas se fundem em filmes maiores de grafeno. Onde as redes de carbono não se alinham umas com as outras, os átomos buscam equilíbrio e formam limites de grão que controlam as propriedades eletrônicas da folha maior. Pesquisadores - e indústrias - desejam maneiras de controlar as propriedades semicondutoras do grafeno controlando os limites.

"Uma boa compreensão deste processo dá orientações sobre como organizar a orientação mútua das ilhas, "Yakobson disse." Então, quando eles fundirem, você pode, por design, crie limites de grão particulares com propriedades particularmente interessantes. Portanto, esta pesquisa, mais do que apenas satisfazer nossa curiosidade, é muito útil."

Ele sugeriu que os mesmos cálculos poderiam ser aplicados ao crescimento de outros materiais bidimensionais, como nitreto de boro hexagonal ou dissulfeto de molibdênio e seus parentes, também amplamente estudado por seu potencial para a eletrônica.

Os co-autores do artigo são Yufeng Hao, um cientista pesquisador da Universidade de Columbia, e Rodney Ruoff, diretor do Centro de Materiais Multidimensionais de Carbono do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan, Ulsan, Coreia do Sul.