Pesquisadores russos propuseram um novo método para sintetizar nanofitas de grafeno de alta qualidade - um material com potencial para aplicações em eletrônica flexível, células solares, LEDs, lasers, e mais. Apresentado em The Journal of Physical Chemistry C , a abordagem original para a deposição de vapor químico, oferece um rendimento maior a um custo menor, em comparação com a automontagem de nanofibras atualmente usada em substratos de metal nobre.

A eletrônica baseada em silício está se aproximando cada vez mais de seus limites, e nos perguntamos qual material poderia dar a nossos dispositivos o próximo grande empurrão. Grafeno, a folha 2-D de átomos de carbono, vem à mente, mas por todas as suas propriedades eletrônicas celebradas, não tem o que é preciso:ao contrário do silício, o grafeno não tem a capacidade de alternar entre um estado condutivo e um não condutivo. Esta característica definidora de semicondutores como o silício é crucial para a criação de transistores, que são a base de toda a eletrônica.

Contudo, depois de cortar o grafeno em fitas estreitas, eles ganham propriedades semicondutoras, desde que as arestas tenham a geometria correta e não haja defeitos estruturais. Essas nanofitas já foram usadas em transistores experimentais com características razoavelmente boas, e a elasticidade do material significa que os dispositivos podem ser flexíveis. Embora seja tecnologicamente desafiador integrar materiais 2-D com eletrônicos 3-D, não há razões fundamentais para que as nanofitas não possam substituir o silício.

Uma maneira mais prática de obter nanofitas de grafeno não é cortando folhas de grafeno ou nanotubos, mas o contrário, crescendo o material átomo por átomo. Esta abordagem é conhecida como síntese ascendente, e ao contrário de sua contraparte de cima para baixo, resulta estruturalmente perfeito, e, portanto, tecnologicamente útil, nanofitas. O método atualmente dominante para síntese de baixo para cima, conhecido como auto-montagem, é caro e difícil de aumentar para a produção industrial, portanto, os cientistas de materiais estão buscando alternativas para isso.

"As nanofitas de grafeno são um material cujas propriedades são de interesse para a ciência fundamental e prometem aplicações em todos os tipos de dispositivos futurísticos. No entanto, a técnica padrão para sua síntese tem algumas desvantagens, "explicou Pavel Fedotov, pesquisador sênior do Laboratório de Materiais de Nanocarbono do MIPT. "Manter o vácuo ultra-alto e usar um substrato de ouro é muito caro, e a produção de material é comparativamente baixa. "

"Meus colegas e eu propusemos uma maneira alternativa de sintetizar nanofitas atomicamente perfeitas. Não só funciona sob vácuo normal e com o substrato de níquel muito mais barato, o rendimento aumenta em virtude das nanofitas serem produzidas como filmes multicamadas, em vez de individualmente. Para separar esses filmes em fitas de monocamada, eles são colocados em suspensão, "o pesquisador continuou." Mais importante, nada disso compromete a qualidade do material. Confirmamos a ausência de defeitos obtendo os perfis de espalhamento Raman apropriados e observando a fotoluminescência de nossas nanofitas. "

Nanofitas de grafeno vêm em diferentes tipos, e os que os cientistas russos fabricaram usando sua técnica original de deposição de vapor químico têm a estrutura mostrada à direita na figura. Eles têm sete átomos de largura e bordas que lembram uma poltrona, daí o nome:nanofitas de grafeno 7-A. Este tipo de nanofita tem propriedades semicondutoras valiosas para a eletrônica, ao contrário de seu primo 7-Z com bordas em zigue-zague (mostrado à esquerda), que se comporta como um metal.

A síntese ocorre em um tubo de vidro hermético evacuado a um milionésimo da pressão atmosférica padrão, que ainda é 10, 000 vezes mais alto do que o vácuo ultra-alto normalmente necessário para a automontagem de nanofibras. O reagente inicial usado é uma substância sólida contendo carbono, hidrogênio, e bromo e conhecido como DBBA. É colocado no tubo com uma folha de níquel, pré-recozido em 1, 000 graus Celsius para remover o filme de óxido. O tubo de vidro com DBBA é então submetido a tratamento térmico por várias horas em duas fases:primeiro a 190 C, então a 380 C. O primeiro aquecimento leva à formação de longas moléculas de polímero, e durante a segunda fase, eles se transformam em nanofitas com estrutura atomicamente precisa, densamente embalado em filmes que são até 1, 000 nanômetros de espessura.

Depois de obter os filmes, os pesquisadores os suspenderam em uma solução e os expuseram ao ultrassom, dividindo as "pilhas" multicamadas em nanofitas de carbono de um átomo de espessura. Os solventes usados ​​foram clorobenzeno e tolueno. Experimentos anteriores mostraram que esses produtos químicos são ideais para suspender nanofitas de maneira estável, evitando a agregação de volta em pilhas e o aparecimento de defeitos estruturais. O controle de qualidade da nanofibra também foi feito em suspensão, via métodos ópticos:A análise dos dados de espalhamento Raman e fotoluminescência confirmou que o material não apresentava defeitos significativos.

Como a nova tecnologia de síntese para a fabricação de nanofitas de carbono 7-A multicamadas sem defeitos é comparativamente barata e fácil de aumentar, é um passo importante para a introdução desse material na produção em grande escala de dispositivos eletrônicos e ópticos que acabariam por superar os existentes hoje.

"A experiência mostra que uma vez que um novo material de carbono é descoberto, isso significa novas propriedades e novos aplicativos. E as nanofitas de grafeno não eram diferentes, "o chefe do Laboratório de Materiais de Nanocarbono do MIPT, Elena Obraztsova lembrou. "Inicialmente, nanofitas foram sintetizadas dentro de nanotubos de carbono de parede única, que serviu para restringir a largura da fita. Foi nessas nanofitas incorporadas que a luminescência foi originalmente demonstrada, com seus parâmetros variando com a geometria do nanotubo. "

"Nossa nova abordagem - deposição de vapor químico de baixo para cima - permite que fitas de grafeno ultranarrow sejam produzidas em grandes quantidades e sob condições bastante suaves:vácuo moderado, substrato de níquel. O material resultante exibe fotoluminescência excitônica brilhante. É promissor para muitas aplicações em óptica não linear, que vamos perseguir, "acrescentou o pesquisador.