p Uma imagem SEM em grande escala (~ 2,5 mm x 1,6 mm) de um filme de grafeno de cristal único sem camada em uma folha de Cu (111). Crédito:Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan (UNIST)
p Uma equipe internacional de pesquisadores, liderado pelo ilustre professor Rodney S. Ruoff (Escola de Ciências Naturais) do Centro de Materiais Multidimensionais de Carbono (CMCM), dentro do Institute for Basic Science (IBS) da UNIST, relatou uma camada verdadeiramente única (ou seja, sem camada) filme de grafeno de grande área em folhas de cobre de grande área. Isso pode parecer o mais recente de uma série de declarações aparentemente semelhantes sobre o grafeno de camada única. Contudo, esta conquista difere de outros milhares de publicações anteriores, pois nenhuma delas descreveu o grafeno de camada verdadeiramente única em uma grande área. Adlayers (regiões de duas ou multicamadas) sempre estiveram presentes em tais filmes. p Os cientistas refinaram o método de crescimento por deposição química de vapor (CVD), eliminando todas as impurezas de carbono dentro das folhas de cobre nas quais o grafeno é cultivado. O CVD em folhas de metal (especialmente folhas de cobre) é atualmente a rota mais promissora para a síntese escalonável e reproduzível de filmes de grafeno de grande área de alta qualidade. A equipe investigou por que "adlayers" apareceram no filme de grafeno cultivado em folhas de cobre e descobriu que as impurezas de carbono dentro da folha levam diretamente à nucleação e ao crescimento de adlayers. (Adlayers são regiões no filme onde há 2 ou 3 camadas presentes - patches "multicamadas, " isso é.)
p "Descobrimos que as folhas de cobre comerciais têm 'excesso de carbono', particularmente perto da superfície - a uma profundidade de cerca de 300 nm, usando espectrometria de massa de íons secundários de tempo de voo e análise de combustão. Em uma discussão com um especialista técnico na Jiangxi Copper Corporation Limited, um dos maiores fornecedores mundiais de folhas de cobre, aprendemos que o carbono está embutido na folha de cobre durante a fabricação, provavelmente de óleo (s) à base de hidrocarboneto (s) usado (s) para lubrificar os rolos que a folha de cobre contata nas altas temperaturas de laminação, "disse o Dr. Da Luo, primeiro autor do artigo. Depois de remover completamente este carbono por recozimento sob H2 a 1060 ° C, eles foram capazes de obter um filme de grafeno sem camada e, portanto, verdadeiramente de camada única.
p (A) Imagem SEM de um filme de grafeno de cristal único sem camada com dobras longas paralelas em uma folha de Cu (111). (B) Uma imagem STM de ultra-alto vácuo de alta resolução da estrutura em favo de mel do filme de grafeno de cristal único. (C) Ilustração esquemática para a fabricação direta de transistores de efeito de campo de alto desempenho na região situada entre duas dobras adjacentes no filme de grafeno de cristal único. (D) mobilidades portadoras medidas a partir de transistores de efeito de campo padronizados com vários tipos de amostras de grafeno; o filme de grafeno de cristal único sem camada de camada apresenta o melhor desempenho. Crédito:Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan (UNIST)
p Aplicando o mesmo método, os cientistas do IBS também obtiveram uma camada única livre de adlayer e um filme de grafeno de cristal único em uma folha de Cu de cristal único. Um dos primeiros autores, Meihui Wang explicou, "Resolvemos assim dois problemas que têm estado persistentemente presentes em sínteses anteriores de filmes CVD de grafeno (adlayers e limites de grão (GBs)) ao mesmo tempo." De fato, alcançando uniformidade perfeita no número de camadas em uma grande área (camadas simples ou duplas, por exemplo) pode ser usado para garantir um desempenho consistente do dispositivo. As regiões do Adlayer diferem em, por exemplo., densidade e tamanho quando presentes nas regiões ativas dos dispositivos. Além de adlayers, GBs estão presentes em filmes de grafeno policristalino preparados por CVD, onde ilhas de grafeno com diferentes orientações cristalográficas se unem para completar o filme. A presença de GBs reduz a mobilidade da portadora e a condutividade térmica, e reduz a resistência mecânica.
p Ainda, os cientistas ficaram com uma característica fascinante em seus filmes de cristal único:este grafeno de cristal único contém "dobras" paralelas altamente orientadas com centímetros de comprimento, cerca de cem nanômetros de largura, e separados por 20 a 50 micrômetros. Assim como adlayers e GBs, observou-se que as dobras diminuem significativamente a mobilidade do portador de grafeno. Para eliminar esses efeitos de dispersão de adlayers, GBs e dobras, a equipe padronizou transistores de efeito de campo na região situada entre duas dobras adjacentes e com os transistores paralelos às dobras. Ao contrário das dobras distribuídas quase aleatoriamente no filme de grafeno policristalino, as dobras são altamente alinhadas no filme de grafeno de cristal único de grande área. Isso facilita a fabricação de dispositivos integrados de alto desempenho nas regiões entre as dobras. Wang explicou, "A região entre duas dobras adjacentes é 'limpa', sem dobras, adlayers, ou GBs. Isso permitiu que o dispositivo tivesse uma mobilidade muito alta de elétrons e lacunas. Os transistores de efeito de campo mostram valores de mobilidade da portadora em temperatura ambiente muito alta, em torno de 1,0 x 10
4
cm
2
V
-1
s
-1
. Essa alta mobilidade de portadora "se traduz" em vários dispositivos úteis com alto desempenho ".
p (a-b) (painel esquerdo) Imagens SEM de filmes de grafeno de cristal único sem camada de folha em folhas de Cu (111) e (painel direito) imagens ópticas dos filmes após transferência para pastilhas de SiO2 / Si de 300 nm. (c-d) (painel esquerdo) Imagens SEM de filmes de grafeno policristalino com adlayers em folhas de Cu policristalino e (painel direito) imagens ópticas dos filmes após transferência para pastilhas de SiO2 / Si de 300 nm. Os parâmetros CVD para fluxo de gás e pressão foram os seguintes:(a, c) H2 / CH4 (200 sccm / 1 sccm) a 2,0 Torr; (b, d) H2 / CH4 (30 sccm / 30 sccm 0,1% CH4 em Ar) a 30,0 Torr. As setas pretas apontam para dobras. Crédito:Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan (UNIST)
p O diretor Ruoff observou, "Nossa abordagem para grandes áreas de grafeno de cristal único sem camada de adubo é uma inovação. Este uniforme, camada única 'perfeita', espera-se que o grafeno de cristal único encontre uso como um material de suporte ultrafino para imagens de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução, e em dispositivos ópticos. Também como um grafeno apropriado para alcançar uma funcionalização extremamente uniforme que leva a muitas outras aplicações, particularmente para sensores de vários tipos. Também gostaria de observar que valorizamos muito as fortes contribuições dos co-autores da UNIST, de HKUST, e da SKKU. "Esta pesquisa foi apoiada pelo Institute for Basic Science, e foi publicado no jornal, Materiais avançados.
