Os pesquisadores usaram o crescimento de deposição de vapor químico direto (CVD) de grafeno de alta qualidade em escala de wafer em dielétricos para aplicações versáteis. No entanto, o grafeno sintetizado dessa maneira mostrou um filme policristalino com defeitos não controlados, baixa mobilidade de portadores e alta resistência à rua; portanto, os pesquisadores pretendem introduzir novos métodos para desenvolver grafeno em escala de wafer. Em um novo relatório agora publicado em Science Advances , Zhaolong Chen e uma equipe internacional de pesquisa em nanoquímica, materiais inteligentes e física, na China, Reino Unido e Cingapura, descreveram o crescimento direto do grafeno de monocamada altamente orientado em filmes de bolachas de safira. Eles alcançaram a estratégia de crescimento projetando um CVD de indução eletromagnética em temperatura elevada. O filme de grafeno desenvolvido desta forma mostrou uma mobilidade de carreador marcadamente melhorada e uma resistência de folha reduzida.
O desenvolvimento e aplicações do grafeno em materiais.

O grafeno tem boa robustez mecânica, alta mobilidade de portadora, maior transparência óptica e promete aplicações de alta frequência, bem como eletrodos condutores transparentes. A dispersão linear dos elétrons Dirac do grafeno também pode permitir dispositivos alvo, incluindo fotodetectores e moduladores ópticos. A maioria dessas aplicações depende do uso de grafeno de cristal único em escala de wafer sem contaminação ou quebras. Embora o grafeno de alta mobilidade em escala de wafer tenha sido prontamente produzido antes, a uniformidade do número de camadas permaneceu insatisfatória em todo o wafer. Os pesquisadores, portanto, procuraram facilitar a síntese direta de grafeno em óxido de silício, nitreto de boro hexagonal (hBN) e vidro usando técnicas convencionais de deposição química de vapor. Neste trabalho, Chen et al. apresentou o crescimento direto de filmes de grafeno monocamada altamente orientados e contínuos em escala de wafer em safira por meio de um método de deposição de vapor químico baseado em aquecimento por indução eletromagnética. Essa abordagem de crescimento direto de filmes de grafeno altamente orientados em wafers de safira abriu o caminho para a eletrônica e a fotônica do grafeno emergentes.

As experiências:grafeno em safira

Durante os experimentos, Chen et al. usou o aquecimento por indução eletromagnética como fonte de calor do sistema de deposição de vapor químico (CVD) para estender o espaço do parâmetro de crescimento durante o crescimento de grafeno de alta qualidade. O reator permitiu um rápido aumento da temperatura para 1400 graus Celsius em 10 minutos. O processo permitiu a regulação precisa do fornecimento de carbono ativo para o crescimento homogêneo do grafeno monocamada. Para entender o papel da safira durante a formação do grafeno, a equipe realizou cálculos da teoria funcional da densidade (DFT) para revelar a orientação preferencial do domínio do grafeno na safira. Para conseguir isso, eles modelaram a adsorção de um pequeno aglomerado de grafeno (C₂₄ H₁₂ ) em uma placa de óxido de alumínio. O modelo mostrou a possibilidade de crescimento de grafeno altamente orientado em escala de wafer em safira, após um mecanismo de crescimento guiado por acoplamento de interface. A temperatura elevada durante o crescimento facilitou suficiente pirólise do metano e a migração eficiente do carbono ativo adsorvido na safira para promover a taxa de crescimento e a qualidade do cristal. Um filme contínuo de grafeno cobriu o wafer de safira de 2 polegadas em 30 minutos com alta transparência.

Caracterizando o filme de grafeno no wafer de safira

Usando microscopia eletrônica de varredura (MEV), Chen et al. notou um contraste homogêneo do grafeno monocamada em cobertura total, sem vazios. Usando espectros Raman do grafeno produzido em safira, eles identificaram sinais Raman indicativos de uma monocamada de grafeno de alta qualidade e confirmaram sua uniformidade em toda a escala do wafer. Os resultados da microscopia óptica também mostraram um contraste óptico uniforme sem qualquer contaminação ou camadas secundárias visíveis. Usando microscopia de força atômica, eles identificaram outras características do grafeno de monocamada cultivado pelo método CVD (deposição de vapor químico). Análises posteriores com microscopia eletrônica de transmissão (TEM) mostraram alta uniformidade sem contaminação. A configuração experimental permitiu o crescimento de grafeno monocamada na ausência de grandes aglomerados de carbono na fase gasosa e a presença de carbonos individuais atingindo a superfície do grafeno para migrar rapidamente para a borda do grafeno. Para entender as orientações da rede da monocamada de grafeno na safira, a equipe realizou a caracterização de difração de elétrons de baixa energia e revelou a natureza altamente orientada do grafeno do tamanho de uma bolacha. Para verificar ainda mais as informações estruturais do material, eles conduziram medições de difração de elétrons de área selecionada e também observaram a arquitetura de rede em favo de mel do grafeno usando imagens TEM resolvidas atomicamente. A configuração experimental permitiu que os núcleos atingissem a orientação mais estável.

Outras experiências

Chen et ai. em seguida, realizou microscopia de tunelamento de varredura (STM) para sondar o estado de costura dos domínios de grafeno. A imagem STM também revelou uma treliça em favo de mel, alinhada sem defeitos. A imagem resolvida atomicamente destacou ainda mais a presença de um filme contínuo com um pequeno contorno de grão. O trabalho também confirmou a escalada bem-sucedida de degraus de safira causados ​​pela redução térmica de carbono da safira. Os estados de densidade em forma de V ao lado da característica característica do cone Dirac do grafeno de camada única concordaram com a arquitetura do favo de mel para restabelecer a alta qualidade e pureza do filme altamente orientado do grafeno assim cultivado. Em seguida, os cientistas realizaram medições macroscópicas de transporte de quatro sondas para avaliar a condutividade elétrica em larga escala do grafeno de alta qualidade em pastilhas de safira. Eles observaram um mapa de resistência de folha de uma pastilha de grafeno/safira de 2 polegadas, com um valor médio tão baixo quanto 587 ± 40 ohms. O resultado foi marcadamente superior quando comparado ao grafeno cultivado diretamente em substratos de vidro. A equipe então mediu a mobilidade do efeito de campo do grafeno na safira e registrou sua densidade de portadores. Os valores também foram marcadamente maiores do que os observados com grafeno cultivado diretamente em substratos dielétricos e metais. Os resultados são promissores em aplicações eletrônicas e optoeletrônicas.

Perspectivas

Desta forma, Zhaolong Chen e seus colegas desenvolveram um método para o crescimento direto de filme de grafeno monocamada altamente orientado em escala de wafer, contínuo e altamente orientado em safira usando uma rota CVD de aquecimento por indução eletromagnética. O método sintético facilitou o aumento rápido da temperatura até 1400 graus Celsius em 10 minutos para uma pirólise eficiente da matéria-prima de carbono para permitir a migração rápida de espécies ativas. Essa rota sintética eficiente e confiável de grafeno monocamada de alta qualidade em wafer de safira era compatível com processos de semicondutores e pode, em última análise, promover a eletrônica e a industrialização de grafeno de alto desempenho. + Explorar mais

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