Engenheiros associam o oxigênio à qualidade do grafeno e desenvolvem novas técnicas para produzir o material de forma reproduzível em escala
O laboratório Hone da Columbia Engineering criou mais de 100 amostras idênticas de grafeno com seu método de deposição química de vapor livre de oxigênio. Crédito:Jacob Amontree e Christian Cupo, Universidade Columbia O grafeno foi chamado de “o material maravilhoso do século 21”. Desde a sua descoberta em 2004, o material – uma única camada de átomos de carbono – tem sido elogiado pela sua série de propriedades únicas, que incluem condutividade elétrica ultra-elevada e notável resistência à tração. Tem potencial para transformar eletrônicos, armazenamento de energia, sensores, dispositivos biomédicos e muito mais. Mas o grafeno tem um segredinho sujo:é sujo.
Agora, engenheiros da Universidade de Columbia e colegas da Universidade de Montreal e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia estão preparados para limpar as coisas com um método de deposição química de vapor livre de oxigênio (OF-CVD) que pode criar amostras de grafeno de alta qualidade em escala.
O trabalho deles, publicado em 29 de maio na Nature, demonstra diretamente como o oxigênio residual afeta a taxa de crescimento do grafeno e identifica pela primeira vez a ligação entre o oxigênio e a qualidade do grafeno.
"Mostramos que a eliminação de praticamente todo o oxigênio do processo de crescimento é a chave para alcançar a síntese de grafeno CVD reproduzível e de alta qualidade", disse o autor sênior James Hone, professor Wang Fong-Jen de Engenharia Mecânica na Columbia Engineering. "Este é um marco para a produção em larga escala de grafeno."
O grafeno tem sido historicamente sintetizado de duas maneiras. Existe o método da “fita adesiva”, no qual camadas individuais são retiradas de uma amostra de grafite (o mesmo material que você encontrará na grafite do lápis) usando fita adesiva doméstica.
Essas amostras esfoliadas podem estar bastante limpas e livres de impurezas que, de outra forma, interfeririam nas propriedades desejáveis do grafeno. No entanto, eles tendem a ser muito pequenos – apenas algumas dezenas de micrômetros de diâmetro – para aplicações em escala industrial e, portanto, mais adequados para pesquisas em laboratório.
Para passar das explorações de laboratório para aplicações no mundo real, os pesquisadores desenvolveram um método para sintetizar grafeno de grandes áreas há cerca de 15 anos. Este processo, conhecido como crescimento CVD, faz passar um gás contendo carbono, como o metano, sobre uma superfície de cobre a uma temperatura suficientemente alta (cerca de 1.000°C) para que o metano se separe e os átomos de carbono se reorganizem para formar um único favo de mel. camada moldada de grafeno.
O crescimento de DCV pode ser ampliado para criar amostras de grafeno com centímetros ou até metros de tamanho. No entanto, apesar de anos de esforço de grupos de investigação em todo o mundo, as amostras sintetizadas por CVD sofreram de problemas de reprodutibilidade e qualidade variável.
A questão era o oxigênio. Em publicações anteriores, os coautores Richard Martel e Pierre Levesque, de Montreal, mostraram que vestígios de oxigênio podem retardar o processo de crescimento e até mesmo desgastar o grafeno. Assim, há cerca de seis anos, Christopher DiMarco, GSAS'19, projetou e construiu um sistema de crescimento de CVD no qual a quantidade de oxigênio introduzida durante o processo de deposição poderia ser cuidadosamente controlada.
Jacob Amontree (esquerda) e Xingzhou Yan (direita) exibindo seu grafeno CVD puro sintetizado em wafers ultraplanos de cobre/safira. Crédito:Zhiying Wang, Universidade Columbia
Doutorado atual. os alunos Xingzhou Yan e Jacob Amontree continuaram o trabalho de DiMarco e melhoraram ainda mais o sistema de crescimento. Eles descobriram que quando o oxigênio residual era eliminado, o crescimento da doença cardiovascular era muito mais rápido – e sempre dava os mesmos resultados. Eles também estudaram a cinética do crescimento do grafeno CVD livre de oxigênio e descobriram que um modelo simples poderia prever a taxa de crescimento em uma variedade de parâmetros diferentes, incluindo pressão e temperatura do gás.
A qualidade das amostras cultivadas com OF-CVD provou ser virtualmente idêntica à do grafeno esfoliado. Em colaboração com colegas do departamento de física de Columbia, seu grafeno apresentou evidências impressionantes do efeito Hall quântico fracionário sob campos magnéticos, um fenômeno quântico que anteriormente só havia sido observado em sistemas elétricos bidimensionais de altíssima qualidade.
A partir daqui, a equipe planeja desenvolver um método para transferir de forma limpa seu grafeno de alta qualidade do catalisador de crescimento de metal para outros substratos funcionais, como o silício – a peça final do quebra-cabeça para aproveitar ao máximo esse material maravilhoso.
“Nós dois ficamos fascinados pelo grafeno e seu potencial quando estávamos na graduação”, disseram Amontree e Yan. "Realizamos inúmeros experimentos e sintetizamos milhares de amostras nos últimos quatro anos de nosso doutorado. Ver este estudo finalmente se concretizar é um sonho que se tornou realidade."
