p Uma equipe de pesquisadores liderada pelo Diretor Rod Ruoff no Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) dentro do Institute for Basic Science (IBS), incluindo alunos de pós-graduação no Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan (UNIST), alcançaram crescimento e caracterização de grande área, grafeno de cristal único sem rugas, dobras, ou adlayers. Pode ser o grafeno mais perfeito que foi cultivado e caracterizado até agora. A pesquisa foi publicada na revista Natureza . p O diretor Ruoff diz:"Esse avanço pioneiro foi devido a muitos fatores contribuintes, incluindo a engenhosidade humana e a capacidade dos pesquisadores de CMCM de fazer folhas de Cu-Ni (111) de cristal único de área grande, no qual o grafeno foi cultivado por deposição química de vapor (CVD) usando uma mistura de etileno com hidrogênio em uma corrente de gás argônio. "Estudante Meihui Wang, Dr. Ming Huang, e o Dr. Da Luo, juntamente com Ruoff, realizaram uma série de experimentos de cultivo de grafeno de cristal único e de camada única em tais folhas de Cu-Ni (111) "caseiras" sob diferentes temperaturas.

p A equipe havia relatado anteriormente filmes de grafeno de cristal único e sem camada adulta que foram cultivados usando metano a temperaturas de ~ 1320 graus Kelvin (K) em folhas de Cu (111). Adlayers referem-se a pequenas "ilhas" de regiões que possuem outra camada de grafeno presente. Contudo, esses filmes sempre continham longas "dobras" que são consequência de rugas altas que se formam quando o grafeno é resfriado da temperatura de crescimento até a temperatura ambiente. Isso resulta em uma redução indesejável no desempenho do transistor de efeito de campo de grafeno (GFET) se a "dobra" estiver na região ativa do GFET. As dobras também contêm "rachaduras" que diminuem a resistência mecânica do grafeno.

p O próximo desafio emocionante foi, portanto, eliminar essas dobras.

p Os pesquisadores do CMCM primeiro implementaram uma série de experimentos de 'ciclo' que envolviam o "ciclo" da temperatura imediatamente após o crescimento do grafeno a 1320 K. Esses experimentos mostraram que as dobras são formadas a 1 ou acima de 1, 020 K durante o processo de resfriamento. Depois de aprender isso, a equipe decidiu cultivar grafeno em folhas de Cu-Ni (111) em várias temperaturas diferentes em torno de 1, 020 K, o que levou a uma descoberta de que grande área, alta qualidade, sem dobras, e filmes de grafeno de cristal único sem camada de adaga podem ser cultivados em uma faixa de temperatura entre 1, 000 K e 1, 030 K. "Este filme de grafeno sem dobras se forma como um único cristal sobre todo o substrato de crescimento porque mostra uma única orientação sobre uma grande área difração de elétrons de baixa energia (LEED) padrões, "observou SEONG Won Kyung, um pesquisador sênior do CMCM que instalou o equipamento LEED no centro. Os GFETs foram então padronizados neste grafeno sem dobras de cristal único em uma variedade de direções pelo estudante de graduação da UNIST Yunqing Li. Esses GFETs mostraram desempenho notavelmente uniforme com mobilidades de elétrons e buracos em temperatura ambiente média de 7,0 ± 1,0 × 10 ³ cm ² V ^-1 s ^-1 .

p Li diz, "Esse desempenho notavelmente uniforme é possível porque o filme de grafeno sem dobras é um cristal único com essencialmente sem imperfeições."

p Mais importante, a equipe de pesquisa conseguiu "aumentar a escala" da produção de grafeno usando este método. O grafeno foi cultivado com sucesso em 5 folhas (dimensão 4 cm x 7 cm) simultaneamente em um forno de quartzo de 6 polegadas de diâmetro construído em casa. "Nosso método de cultivo de filmes de grafeno sem dobras é muito reproduzível, com cada folha produzindo duas peças idênticas de filmes de grafeno de alta qualidade em ambos os lados da folha, "e" Usando o método de transferência de borbulhamento eletroquímico, o grafeno pode ser delaminado em cerca de um minuto e a folha de Cu-Ni (111) pode ser rapidamente preparada para o próximo ciclo de crescimento / transferência, "observa Meihui Wang. Ming Huang acrescenta:"Quando testamos a perda de peso de folhas de Cu-Ni (111) após cinco execuções de crescimento e transferências, a perda líquida foi de apenas 0,0001 grama. Isso significa que nossos métodos de crescimento e transferência usando o Cu-Ni (111) podem ser realizados repetidamente, essencialmente indefinidamente. "

p No processo de obtenção de grafeno de cristal único sem dobras, os pesquisadores também descobriram as razões por trás da formação dessas dobras. Imagens TEM de alta resolução foram realizadas pelo aluno CHOE Myeonggi e pelo Prof. LEE Zonghoon (um líder de grupo no CMCM e professor da UNIST) para observar as seções transversais das amostras crescidas acima de 1, 040 K. Eles descobriram que a coesão, qual é a causa das dobras, é iniciada nas regiões de "borda da etapa agrupada" entre os planaltos de cristal único de Cu-Ni (111). "Esta adesão morta nas regiões da borda do degrau agrupada desencadeia a formação de dobras de grafeno perpendiculares à direção da borda do degrau, "observou o co-autor correspondente Luo. Ruoff observa ainda que" Descobrimos que o agrupamento em etapas de uma superfície de folha de Cu-Ni (111) ocorre repentinamente por volta de 1, 030 K, e esta 'reconstrução da superfície' é a razão pela qual a temperatura crítica de crescimento do grafeno livre de dobras é de ~ 1, 030 K ou menos. "

p Esse filme de grafeno de cristal único sem dobras de grande área permite a fabricação direta de dispositivos integrados de alto desempenho orientados em qualquer direção ao longo de todo o filme de grafeno. Esses filmes de grafeno de cristal único serão importantes para novos avanços na ciência básica, o que levará a novas aplicações na área eletrônica, fotônico, mecânico, térmico, e outras áreas. O grafeno quase perfeito também é útil para empilhamento, seja consigo mesmo e / ou com outros materiais 2D, para expandir ainda mais a gama de aplicações prováveis. Dado que as folhas de Cu-Ni (111) podem ser usadas repetidamente e que o grafeno pode ser transferido para outros substratos em menos de um minuto, a fabricação escalável usando esse processo também é altamente promissora.