p Uma nova técnica inventada na Caltech para produzir grafeno - um material feito de uma camada de carbono com a espessura de um átomo - em temperatura ambiente poderia ajudar a pavimentar o caminho para células solares baseadas em grafeno comercialmente viáveis ​​e diodos emissores de luz, monitores de painel grande, e eletrônicos flexíveis. p "Com esta nova técnica, podemos cultivar grandes folhas de grafeno de grau eletrônico em muito menos tempo e em temperaturas muito mais baixas, "diz o cientista da equipe do Caltech David Boyd, quem desenvolveu o método.

p Boyd é o primeiro autor de um novo estudo, publicado na edição de 18 de março da revista Nature Communications , detalhando o novo processo de fabricação e as novas propriedades do grafeno que ele produz.

p O grafeno pode revolucionar uma variedade de campos científicos e de engenharia devido às suas propriedades únicas, que incluem uma resistência à tração 200 vezes mais forte do que o aço e uma mobilidade elétrica que é duas a três ordens de magnitude melhor do que o silício. A mobilidade elétrica de um material é uma medida da facilidade com que os elétrons podem viajar por sua superfície.

p Contudo, alcançar essas propriedades em uma escala industrialmente relevante provou ser complicado. As técnicas existentes exigem temperaturas muito altas - 1, 800 graus Fahrenheit, ou 1, 000 graus Celsius - para incorporar a fabricação de grafeno com a fabricação de eletrônicos atual. Adicionalmente, o crescimento do grafeno em alta temperatura tende a induzir grandes, tensão distribuída de forma incontrolável - deformação - no material, o que compromete gravemente suas propriedades intrínsecas.

p "Anteriormente, as pessoas só conseguiam cultivar alguns milímetros quadrados de grafeno de alta mobilidade por vez, e exigia temperaturas muito altas, longos períodos de tempo, e muitos passos, "diz o professor de física da Caltech, Nai-Chang Yeh, o co-diretor da Fletcher Jones Foundation do Kavli Nanoscience Institute e o autor correspondente do novo estudo. "Nosso novo método pode produzir consistentemente grafeno de alta mobilidade e quase sem deformação em uma única etapa em apenas alguns minutos sem alta temperatura. Criamos tamanhos de amostra de alguns centímetros quadrados, e já que pensamos que nosso método é escalonável, acreditamos que podemos cultivar folhas de até várias polegadas quadradas ou maiores, abrindo o caminho para aplicações realistas em grande escala. "

p O novo processo de fabricação poderia não ter sido descoberto se não fosse por uma feliz reviravolta. Em 2012, Boyd, então trabalhando no laboratório do falecido David Goodwin, na época, um professor Caltech de engenharia mecânica e física aplicada, estava tentando reproduzir um processo de fabricação de grafeno sobre o qual havia lido em uma revista científica. Nesse processo, cobre aquecido é usado para catalisar o crescimento do grafeno. "Eu estava brincando com ele na minha hora de almoço, "diz Boyd, que agora trabalha com o grupo de pesquisa de Yeh. "Mas a receita não estava funcionando. Parecia um processo muito simples. Eu até tinha um equipamento melhor do que o usado no experimento original, então deveria ter sido mais fácil para mim. "

p Durante uma de suas tentativas de reproduzir o experimento, o telefone tocou. Enquanto Boyd atendia a ligação, ele, sem querer, deixou uma folha de cobre aquecer por mais tempo do que o normal antes de expô-la ao vapor de metano, que fornece os átomos de carbono necessários para o crescimento do grafeno.

p Quando mais tarde Boyd examinou a placa de cobre usando espectroscopia Raman, uma técnica usada para detectar e identificar grafeno, ele viu evidências de que uma camada de grafeno realmente havia se formado. "Foi um 'A-ha!' momento, "Boyd diz." Percebi então que o truque para o crescimento é ter uma superfície muito limpa, um sem o óxido de cobre. "

p Como lembra Boyd, ele então se lembrou de que Robert Millikan, um físico ganhador do Prêmio Nobel e chefe da Caltech de 1921 a 1945, também teve que lutar para remover o óxido de cobre quando realizou seu famoso experimento de 1916 para medir a constante de Planck, que é importante para calcular a quantidade de energia de uma única partícula de luz, ou fóton, Boyd se perguntou se ele, como Millikan, poderia conceber um método para limpar seu cobre enquanto ele estava sob condições de vácuo.

p A solução que Boyd encontrou foi usar um sistema desenvolvido pela primeira vez na década de 1960 para gerar um plasma de hidrogênio - isto é, gás hidrogênio que foi eletrificado para separar os elétrons dos prótons - para remover o óxido de cobre em temperaturas muito mais baixas. Seus experimentos iniciais revelaram não só que a técnica funcionava para remover o óxido de cobre, mas que também produziu grafeno simultaneamente.

p Inicialmente, Boyd não conseguia entender por que a técnica era tão bem-sucedida. Mais tarde, ele descobriu que duas válvulas com vazamento estavam deixando entrar traços de metano na câmara do experimento. "As válvulas estavam deixando entrar a quantidade certa de metano para o grafeno crescer, " ele diz.

p A capacidade de produzir grafeno sem a necessidade de aquecimento ativo não só reduz os custos de fabricação, mas também resulta em um produto melhor porque menos defeitos - introduzidos como resultado dos processos de expansão e contração térmica - são gerados. Isso, por sua vez, elimina a necessidade de várias etapas de pós-produção. "Tipicamente, leva cerca de dez horas e nove a dez etapas diferentes para fazer um lote de grafeno de alta mobilidade usando métodos de crescimento de alta temperatura, "Yeh diz." Nosso processo envolve uma etapa, e leva cinco minutos. "

p O trabalho do grupo de Yeh e de colaboradores internacionais revelou posteriormente que o grafeno feito com a nova técnica é de qualidade superior do que o grafeno feito com métodos convencionais:é mais forte porque contém menos defeitos que poderiam enfraquecer sua resistência mecânica, e tem a maior mobilidade elétrica já medida para o grafeno sintético.

p A equipe acredita que um dos motivos pelos quais sua técnica é tão eficiente é que uma reação química entre o plasma de hidrogênio e as moléculas de ar na atmosfera da câmara gera radicais ciano - moléculas de carbono-nitrogênio que foram despojadas de seus elétrons. Como minúsculos superscrubbers, essas moléculas carregadas efetivamente limpam o cobre de imperfeições superficiais, fornecendo uma superfície imaculada para o crescimento do grafeno.

p Os cientistas também descobriram que o grafeno cresce de uma maneira especial. O grafeno produzido usando processos térmicos convencionais cresce a partir de uma colcha de retalhos aleatória de deposições. But graphene growth with the plasma technique is more orderly. The graphene deposits form lines that then grow into a seamless sheet, which contributes to its mechanical and electrical integrity.

p A scaled-up version of their plasma technique could open the door for new kinds of electronics manufacturing, Yeh says. Por exemplo, graphene sheets with low concentrations of defects could be used to protect materials against degradation from exposure to the environment. Another possibility would be to grow large sheets of graphene that can be used as a transparent conducting electrode for solar cells and display panels. "No futuro, you could have graphene-based cell-phone displays that generate their own power, " Yeh says.

p Another possibility, ela diz, is to introduce intentionally imperfections into graphene's lattice structure to create specific mechanical and electronic attributes. "If you can strain graphene by design at the nanoscale, you can artificially engineer its properties. But for this to work, you need to start with a perfectly smooth, strain-free sheet of graphene, " Yeh says. "You can't do this if you have a sheet of graphene that has uncontrollable defects in different places."