Già nel 2004, la comunità dei fisici stava appena iniziando a riconoscere l'esistenza di materiale veramente bidimensionale (2D), grafene. Avanti veloce al 2019, e gli scienziati stanno esplorando una vasta gamma di materiali 2-D per scoprire più delle loro proprietà fondamentali. La frenesia dietro questi nuovi materiali 2-D risiede nelle loro affascinanti proprietà:i materiali ridotti a pochi atomi funzionano in modo molto diverso dai materiali 3-D. Gli elettroni impacchettati nello strato più sottile di sempre mostrano caratteristiche distintive oltre ad essere in una "rete allentata". Essendo anche flessibile, I materiali 2-D potrebbero presentare proprietà elettriche distintive, aprendo nuove applicazioni per le tecnologie di prossima generazione come i dispositivi pieghevoli e indossabili.

Quindi, qual è il trucco? Molti parametri come la temperatura, pressione, tipo di precursore e portata devono essere presi in considerazione nella sintesi CVD di materiali 2-D. Con molteplici reazioni coinvolte, è estremamente difficile ottimizzare tutti questi fattori durante le reazioni e trovare le loro migliori combinazioni. Detto ciò, La sintesi del materiale 2-D è difficile da controllare. Gli scienziati hanno cercato di accelerare la crescita dei materiali 2-D adottando diversi substrati, materie prime e temperatura. Ancora, solo pochi tipi di materiali 2-D possono essere sintetizzati in grandi aree, film di alta qualità.

Scienziati del Centro per i materiali di carbonio multidimensionali (CMCM), all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS) presso l'Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) e collaboratori hanno dimostrato che il fluoro, avendo la più forte tendenza ad attirare gli elettroni (cioè l'elettronegatività) in tutti gli elementi, può accelerare la reazione chimica per far crescere tre materiali 2-D rappresentativi; grafene, h-BN, e WS2. Il fluoro richiede un solo elettrone per raggiungere un'elevata stabilità. Anche, avente sette elettroni nell'orbita più esterna di un atomo, la distanza alla quale risiedono questi elettroni di valenza è la minima rispetto ad altri elementi. Ciò significa che gli elettroni di valenza del fluoro sono legati all'atomo più fortemente di qualsiasi altro atomo, rendendo il fluoro l'elemento più attivo nella tavola periodica.

Infatti, i gas attivi come l'idrogeno o l'ossigeno sono ampiamente utilizzati per regolare la crescita del grafene e di altri materiali 2-D. "Perché non allora l'elemento più attivo, fluoro? La più alta elettronegatività consente al fluoro di formare legami con quasi tutti gli atomi della tavola periodica, quindi ci si aspetta che cambi le vie di reazione di molti processi chimici, " ha detto il professor Feng Ding, l'autore corrispondente di questo studio.

Sperimentalmente, non è preferibile introdurre fluoro durante la crescita di un materiale, poiché il fluoro diventa altamente tossico nel reattore. Per risolvere il problema, invece di utilizzare direttamente il gas fluoro, gli scienziati hanno limitato spazialmente la fornitura di fluoro in modo che venga consumata solo la quantità minima di fluoro. Hanno posizionato un substrato di fluoruro metallico (MF ₂ ) sotto un foglio di Cu con uno spazio molto stretto in mezzo. Ad alta temperatura, i radicali del fluoro vengono rilasciati dalla superficie del fluoruro e intrappolati spazialmente nello stretto spazio tra la lamina di Cu e il substrato di fluoruro di metallo. Sorprendentemente, un cambiamento così semplice porta a un tasso di crescita record del grafene a 12 mm al minuto. Per mettere questo tasso in prospettiva, questo nuovo approccio riduce il tempo di crescita di un 10 cm ² grafene da 10 minuti con metodi precedenti, ora sceso a soli tre minuti.

L'introduzione del fluoro locale cambia completamente il percorso di decomposizione del metano. Poiché il fluoro rilasciato dalla superficie del fluoruro metallico reagisce facilmente con il gas metano, ci sarà una quantità sufficiente di CH ³ F o CH ² F ² molecole nello spazio tra Cu e BaF ² substrati. Queste molecole potrebbero decomporsi su una superficie di Cu molto più facilmente di quanto non faccia il CH4. In altre parole, alimentano meglio la crescita del grafene fornendo più radicali di carbone attivo (cioè CH ³ , CH ² , CH e C).

Ulteriori studi sperimentali hanno mostrato che la strategia di fornitura locale di fluoro potrebbe accelerare notevolmente la crescita di altri materiali 2-D come h-BN e WS2, anche. Gli scienziati hanno studiato come il fluoro confinato nello spazio è in grado di accelerare la crescita dei materiali 2-D. Studi teorici hanno rivelato che il fluoro, essendo altamente reattivo, interagisce facilmente con le molecole di metano. L'esistenza del fluoro porta alla formazione di CH ³ F o CH ² F ² molecole. Queste molecole altamente attive possono quindi essere più facilmente decomposte sulla superficie del foglio di Cu, che accelera notevolmente l'approvvigionamento di carbonio per una rapida crescita del grafene.

Sebbene il meccanismo dettagliato del fluoro che stimola la crescita di h-BN e WS2 non sia chiaro, gli autori sono fiduciosi che la presenza di fluoro potrebbe modificare significativamente le reazioni di crescita dei materiali 2-D. "Prevediamo che questa fornitura locale di fluoro faciliterà prontamente la rapida crescita di ampi materiali 2-D o consentirà la crescita di nuovi materiali 2-D, che è molto difficile da realizzare con altri metodi, " ha detto il professor Feng Ding. Oltre al fluoro, ci sono abbondanti tipi di substrati come solfuri, selenidi, cloruri o bromuri che potrebbero essere utilizzati come fonti di approvvigionamento locale di diversi materiali attivi, che fornisce una piattaforma sufficientemente ampia per modulare la crescita di ampi materiali 2-D.