Um novo método para produzir grandes, Os filmes de grafeno de monocamada de cristal único com mais de 30 centímetros de comprimento dependem de uma competição de "sobrevivência do mais apto" entre os cristais. A nova técnica, desenvolvido por uma equipe liderada pelo Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia, pode abrir novas oportunidades para o cultivo de materiais bidimensionais de alta qualidade necessários para as aplicações práticas há muito esperadas.

Fazer camadas finas de grafeno e outros materiais 2D em uma escala necessária para fins de pesquisa é comum, mas devem ser fabricados em uma escala muito maior para serem úteis.

O grafeno é elogiado por seu potencial de força sem precedentes e alta condutividade elétrica e pode ser feito por meio de abordagens bem conhecidas:separar flocos de grafite - o material macio prateado encontrado em lápis - em camadas de um átomo de espessura, ou crescendo átomo por átomo em um catalisador a partir de um precursor gasoso até que camadas ultrafinas sejam formadas.

A equipe de pesquisa liderada pelo ORNL usou o último método - conhecido como deposição de vapor químico, ou CVD - mas com uma diferença. Em um estudo publicado em Materiais da Natureza , eles explicaram como o controle localizado do processo CVD permite a evolução, ou auto-seleção, crescimento em condições ideais, produzindo um grande, folha de grafeno de cristal único.

"Grandes cristais únicos são mais robustos mecanicamente e podem ter maior condutividade, "O co-autor principal do ORNL, Ivan Vlassiouk, disse:" Isso ocorre porque as fraquezas decorrentes das interconexões entre domínios individuais no grafeno policristalino são eliminadas. "

"Nosso método pode ser a chave não apenas para melhorar a produção em larga escala de grafeno de cristal único, mas também para outros materiais 2D, que é necessário para suas aplicações em grande escala, " ele adicionou.

Muito parecido com as abordagens tradicionais de CVD para produzir grafeno, os pesquisadores pulverizaram uma mistura gasosa de moléculas precursoras de hidrocarbonetos em um metal, folha policristalina. Contudo, eles controlaram cuidadosamente a deposição local das moléculas de hidrocarbonetos, trazendo-os diretamente para a borda do filme de grafeno emergente. À medida que o substrato se movia por baixo, os átomos de carbono continuamente montados como um único cristal de grafeno com até trinta centímetros de comprimento.

"O crescimento do grafeno semelhante a um cristal único e desimpedido pode ir quase continuamente, como um roll-to-roll e além das amostras de 30 centímetros demonstradas aqui, "disse Sergei Smirnov, coautor e professor da New Mexico State University.

Conforme os hidrocarbonetos tocam a folha de catalisador quente, eles formam aglomerados de átomos de carbono que crescem ao longo do tempo em domínios maiores até coalescer para cobrir todo o substrato. A equipe descobriu anteriormente que em temperaturas suficientemente altas, os átomos de carbono do grafeno não se correlacionaram, ou espelho, os átomos do substrato, permitindo o crescimento cristalino não pitaxial.

Uma vez que a concentração da mistura de gás influencia fortemente a rapidez com que o único cristal cresce, fornecer o precursor de hidrocarboneto próximo à borda existente de um único cristal de grafeno pode promover seu crescimento de forma mais eficaz do que a formação de novos aglomerados.

"Em um ambiente tão controlado, a orientação de crescimento mais rápido dos cristais de grafeno supera os outros e é 'selecionada evolutivamente' em um único cristal, mesmo em um substrato policristalino, sem ter que corresponder à orientação do substrato, o que geralmente acontece com o crescimento epitaxial padrão, "Disse Smirnov.

Eles descobriram que, para garantir um crescimento ideal, foi necessário criar um “vento” que ajudasse a eliminar as formações de aglomerados. “Era imperativo que criássemos um ambiente onde a formação de novos clusters antes da frente de crescimento fosse totalmente suprimida, e o aumento apenas da borda crescente do grande cristal de grafeno não foi prejudicado, "Vlassiouk disse." Então, e só então, nada impede o crescimento cristalino 'mais adequado' quando o substrato está se movendo. "

Os teóricos da equipe, liderado pelo co-autor do professor da Rice University, Boris Yakobson, forneceu um modelo explicando quais orientações de cristal possuem as propriedades únicas que os tornam mais adequados na corrida pela sobrevivência, e porque a escolha de um vencedor pode depender do substrato e dos precursores.

"Se o grafeno ou qualquer material 2D avançar para a escala industrial, esta abordagem será fundamental, semelhante ao método de Czochralski para o silício ". Yakobson disse." Os fabricantes podem ter certeza de que, quando um grande, a camada bruta do tamanho de uma bolacha é cortada para a fabricação de qualquer dispositivo, cada peça resultante será um monocristal de qualidade. Este potencialmente enorme, papel impactante nos motiva a explorar os princípios teóricos para ser o mais claro possível. "

O escalonamento prático do grafeno usando o método da equipe ainda está para ser visto, mas os pesquisadores acreditam que seu método de crescimento de cristal único de seleção evolutiva também pode ser aplicado a materiais 2D alternativos promissores, como nitreto de boro, também conhecido como "grafeno branco, "e dissulfeto de molibdênio.