(A) Schema del supporto di quarzo da cui è sospesa la lamina di rame (Cu), (B) fotografia della configurazione mostrata schematicamente in (A). (C) Fotografia della lamina di Cu monocristallo ricotto (circa 2 cm × 8 cm), accanto a un righello. (D) Spettri di diffrazione dei raggi X (XRD) delle tre regioni nel foglio di Cu monocristallo ricotto indicato da P1-P3 in (C). Credito:IBS
Un gruppo di ricerca presso il Center for Multidimensional Carbon Materials, all'interno dell'Istituto per le scienze di base (IBS), ha pubblicato un articolo in Scienza descrivendo un nuovo metodo per convertire lamine metalliche policristalline poco costose in cristalli singoli con proprietà superiori. Questi materiali hanno molte applicazioni nella scienza e nella tecnologia.
La struttura della maggior parte dei materiali metallici può essere pensata come un patchwork di minuscoli cristalli che presentano alcuni difetti sui bordi tra ogni patch. Questi difetti, noti come confini di grano (GB), peggiorano le proprietà elettriche e talvolta meccaniche del metallo. Al contrario, i metalli a cristallo singolo non hanno GB e mostrano una maggiore conduttività elettrica e altre qualità migliorate che possono svolgere un ruolo importante in campi come l'elettronica, plasmonica e catalisi, tra gli altri. Anche i fogli di metallo a cristallo singolo hanno attirato molta attenzione perché alcuni metalli a cristallo singolo, come il rame, nichel e cobalto sono substrati adatti per la crescita di grafene senza difetti, nitruro di boro e diamante.
I cristalli singoli sono normalmente fabbricati a partire da un cosiddetto "seme di cristallo". Approcci convenzionali, come i metodi Czochralski o Bridgman, o altri basati sulla deposizione di film metallici sottili su substrati inorganici monocristallini, ottenere piccoli cristalli singoli a costi di lavorazione elevati.
Per sbloccare il pieno potenziale di tali strutture metalliche, il team IBS guidato da Rodney Ruoff presso l'Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), insieme a Jin Sunghwan e Shin Hyung-Joon, ha inventato la tecnica di ricottura senza contatto (CFA). CFA comporta il riscaldamento delle lamine di metallo policristallino a una temperatura leggermente inferiore al punto di fusione di ciascun metallo. Questo nuovo metodo non ha bisogno di semi di cristallo singolo o modelli che limitano la dimensione massima del cristallo. Il metodo è stato testato con cinque diversi tipi di lamine metalliche:rame, nichel, cobalto, platino e palladio. Ha provocato una crescita colossale del grano, raggiungendo fino a 32 centimetri quadrati per il rame.
I dettagli dell'esperimento variavano a seconda del metallo utilizzato. Nel caso del rame, i ricercatori hanno utilizzato supporti in quarzo e un'asta per appendere la lamina di metallo come vestiti sospesi su fili per il bucato. Quindi il foglio è stato riscaldato per diverse ore in un'atmosfera di idrogeno e argon in un forno a forma di tubo a circa 1050 gradi Celsius (1323 gradi Kelvin), una temperatura prossima al punto di fusione del rame (1358 K), e poi raffreddato.
Fogli di grafene cresciuti sopra un foglio di rame monocristallo. (Sinistra) Il grafene monostrato monocristallino di altissima qualità è stato ottenuto su un foglio di rame monocristallo, e (a destra) grafene multistrato (da 2 a 10 strati) su un foglio di lega di rame-nichel a cristallo singolo.
Figura 3:i cristalli cambiano orientamento per ridurre al minimo l'energia superficiale. Membri della squadra, DING Feng, ZHANG Leining, e DONG Jichen, ha fornito un modello e calcoli teorici sulla "crescita colossale del grano" che è stata osservata e studiata attraverso esperimenti. SHIN Hyung-Joon ha attirato l'attenzione sull'importanza della "struttura" iniziale delle lamine di metallo policristallino e sul ruolo che questa gioca nella crescita colossale del grano. In presenza di grandi quantità di posti vacanti all'interno della struttura cristallina (5% in queste simulazioni di dinamica molecolare), l'orientamento del cristallo cambia per minimizzare l'energia superficiale. Credito:IBS
Gli scienziati hanno anche ottenuto cristalli singoli da fogli di nichel e cobalto, ciascuno di circa 11 cm 2 . Le dimensioni raggiunte sono limitate dalle dimensioni del forno. Per il platino, è stato utilizzato il riscaldamento resistivo a causa della sua temperatura di fusione più elevata (2041 K). La corrente è stata fatta passare attraverso una lamina di platino attaccata a due elettrodi opposti, quindi un elettrodo è stato spostato e regolato per mantenere la lamina piatta durante l'espansione e la contrazione. Il team di ricerca si aspetta che questo trucco funzioni per altri foil, perché ha funzionato anche per il palladio.
Questi grandi fogli di metallo a cristallo singolo sono utili in diverse applicazioni. Per esempio, possono servire a far crescere il grafene sopra di loro. Il gruppo ha ottenuto grafene monostrato monocristallino di alta qualità su un foglio di rame monocristallino, e grafene multistrato su un foglio di lega di rame-nichel a cristallo singolo.
La nuova lamina di rame a cristallo singolo ha mostrato proprietà elettriche migliorate. I collaboratori Yoo Won Jong e Moon Inyong della Sungkyunkwan University hanno misurato un aumento del 7% della conduttività elettrica a temperatura ambiente della lamina di rame a cristallo singolo, rispetto al foglio policristallino disponibile in commercio.
"Ora che abbiamo esplorato questi cinque metalli e inventato un metodo scalabile semplice per creare cristalli singoli così grandi, c'è l'eccitante domanda se altri tipi di film metallici policristallini, come il ferro, possono anche essere convertiti in cristalli singoli, " nota il primo autore dello studio, Jin Sunghwan.
Ruoff, il suo supervisore, dice, "Ora che queste lamine di metallo a cristallo singolo a buon mercato sono disponibili, sarà tremendamente eccitante vedere come vengono utilizzati dalle comunità scientifiche e ingegneristiche".
