Usando uma nova técnica, os cientistas obtiveram um núcleo de cobre de cristal único de Cu (111) na extremidade cônica da folha, que gradualmente se expandiu para o comprimento total da folha em vários minutos (b). Esta folha de cobre de cristal único foi usada como substrato para cultivar grafeno em sua superfície. O processo de cristalização do grafeno começou com pequenas ilhas hexagonais de cristais de grafeno, que cresceu para cobrir toda a superfície (c, da esquerda para a direita). As linhas roxas tracejadas (c) mostram que as ilhas hexagonais de grafeno são paralelas:um aspecto chave para o sucesso do processo de cristalização. Crédito:IBS, Universidade de Pequim
Graças à sua condutividade, força e flexibilidade, o grafeno é considerado um dos substitutos mais prováveis do silício e de outros materiais. Contudo, ainda não resultou em aplicações industriais. O grafeno de cristal único de alta qualidade só pode ser produzido em quantidades de alguns milímetros a meros centímetros de tamanho. Recentemente, uma equipe liderada pelo Prof. Feng Ding e Prof. Rodney Ruoff com o Institute for Basic Science (IBS), Prof. Kaihui Liu da Universidade de Pequim, e seus colaboradores relataram a síntese de uma grande folha de grafeno monocamada de cristal único. Este resultado permite um salto em frente na produção de grafeno para um método otimizado de fabricação de um produto quase perfeito (> 99,9% alinhado) 5 × 50 cm 2 grafeno de cristal único em apenas 20 minutos. Além disso, os baixos custos de produção, comparável aos filmes de grafeno policristalino de qualidade inferior disponíveis comercialmente, poderia expandir sua usabilidade. Detalhado em Boletim de Ciências , espera-se que o método estimule mais trabalhos fundamentais sobre o grafeno e materiais relacionados, incluindo a dobragem em grande escala de folhas de grafeno, semelhante ao papel, criando formas semelhantes a origami ou kirigami que poderiam ser aplicadas a futuros circuitos flexíveis.
O grafeno de cristal único é uma monocamada de átomos de carbono em forma de favo de mel, uniforme em todo o material Por outro lado, o grafeno policristalino é formado por ilhas de grafeno orientadas aleatoriamente, que diminuem sua qualidade. Atualmente, os cientistas são capazes de cultivar grafeno policristalino de tamanho de metro e grafeno de cristal único menor, variando de 0,01 mm 2 a alguns centímetros 2 . A síntese de grafeno de cristal único grande a baixo custo é um objetivo crítico da síntese de grafeno. Neste estudo, o grafeno é cultivado na superfície de uma superfície de 5 × 50 cm 2 folha de cobre, que foi transformada em uma folha de cobre de cristal único por aquecimento a ~ 1, 030 °. A inclinação da temperatura de quente para frio moveu o chamado limite de grão para a frente, criando um único cristal perfeito. No tratamento de aquecimento e resfriamento, átomos de cobre migram dentro do material, organizando em uma estrutura ordenada com menos defeitos. "O segredo para obter grafeno de cristal único em tamanhos grandes é ter um cobre de cristal único perfeito como base para começar. A folha de cobre de cristal único grande não está disponível comercialmente, então os laboratórios devem construí-lo com seus próprios meios, "explica Feng Ding, líder do grupo no Center for Multidimensional Carbon Materials.
Então, por meio de outra técnica chamada deposição química de vapor, milhões de ilhas paralelas de grafeno são formadas na superfície da folha de cobre. À medida que mais átomos de carbono são depositados na folha, as ilhas crescem até coalescerem e formarem uma camada de grafeno de cristal único quase perfeita cobrindo toda a superfície disponível.
Três iPhones são colocados próximos como referência. Crédito:IBS
Para otimizar a técnica, a equipe teve que considerar quatro desafios técnicos:(i) preparação de folha de cobre de cristal único em uma área muito grande, (ii) obter um alto grau de alinhamento das ilhas de grafeno após sua nucleação e crescimento, (iii) costurar perfeitamente as ilhas de grafeno em um único cristal por meio de maior crescimento e (iv) o rápido crescimento de grafeno de cristal único. Embora os relatórios anteriores tenham abordado alguns dos desafios acima, este estudo superou todos eles e tornou possível a síntese do grafeno de cristal único do tamanho de um metro. O grau das ilhas de grafeno desalinhadas é inferior a 0,1 por cento, totalizando defeitos insignificantes e limites de grãos nos produtos.
O resultado atual foi limitado apenas pelo tamanho da folha de cobre e, em princípio, tanto o tamanho da folha de cobre quanto do filme de grafeno podem ser ilimitados. Além disso, considerando o tempo muito curto para a síntese de grafeno (20 minutos) e a configuração experimental de custo relativamente baixo, o preço de um grafeno de cristal único (ou quase de cristal único) pode ser próximo ao dos filmes de grafeno policristalino atuais.
“O sonho de muitos cientistas é substituir o silício, "diz Ding." Agora, estamos explorando qual é o melhor material para cultivar grafeno no topo, e como usar cobre como substrato para outros materiais 2-D interessantes. "
