Un approccio che produca fogli di grafene a cristallo singolo su supporti isolanti elettricamente su larga scala potrebbe aiutare con lo sviluppo di dispositivi basati su nanomateriali di prossima generazione, come touchscreen molto leggeri e sottili, dispositivi elettronici indossabili e celle solari.

La maggior parte dei dispositivi elettronici a base di grafene richiede supporti isolanti. Tuttavia, le pellicole di grafene di alta qualità destinate all'uso industriale vengono in genere coltivate su un substrato metallico, come un foglio di rame, prima di essere trasferite su un supporto isolante per la fabbricazione del dispositivo. Questa fase di trasferimento può introdurre impurità che influiscono sulle prestazioni del dispositivo. Gli sforzi per coltivare il grafene su supporti isolanti non sono stati in grado di produrre i cristalli singoli di alta qualità richiesti.

"Se il grafene può essere coltivato su un substrato isolante con un'interfaccia pulita, alcuni dispositivi potrebbero funzionare meglio", afferma il dottorato di ricerca. studente Bo Tian, ​​che ha co-diretto lo studio sotto la supervisione di Xixiang Zhang. "Questo apre anche la porta a nuovi tipi di nanodispositivi a base di grafene", spiega.

Zhang, Tian e colleghi dall'Asia e dall'Europa hanno ottimizzato il metodo di deposizione chimica da vapore, che si basa sulla decomposizione catalizzata dal rame del metano in precursori di carbonio, per generare monostrati lisci di grafene a cristallo singolo su substrati a cristallo singolo a scala di wafer chiamati c-plane zaffiro.

I ricercatori hanno convertito la lamina di rame policristallino nella sua controparte a cristallo singolo Cu(111) sulla superficie dello zaffiro e hanno introdotto atomi di carbonio attivo dalla decomposizione del metano catalizzata dal substrato metallico sulla pellicola risultante. Gli atomi di carbonio si sono diffusi attraverso la pellicola metallica verso l'interfaccia rame-zaffiro, che fungeva da modello, e hanno formato isole di grafene ben orientate che, dopo diversi cicli di crescita, si sono fuse per produrre un foglio.

Oltre alle deboli interazioni superficiali, il film di rame e lo zaffiro mostravano una simmetria del reticolo cristallino simile a quella del grafene, afferma Tian, ​​il che spiega l'elevata cristallinità del monostrato di grafene.

I ricercatori hanno inciso l'eventuale grafene accumulato sulla pellicola di rame utilizzando un plasma di idrogeno e argon per facilitare la diffusione del carbonio. Hanno immerso i campioni in azoto liquido prima di riscaldarli rapidamente a 500 gradi Celsius, facilitando il distacco della pellicola di rame mantenendo intatto il monostrato di grafene.

I transistor a effetto di campo prodotti sul monostrato di grafene a cristallo singolo coltivato in zaffiro hanno mostrato prestazioni eccellenti con mobilità dei portatori più elevate. Le prestazioni elettroniche superiori del grafene coltivato sullo zaffiro derivano dalla sua maggiore cristallinità e dal minor numero di pieghe sulla superficie, spiega Tian.

"Il nostro team sta ora cercando di far crescere altri materiali bidimensionali sul grafene supportato dall'isolante per costruire eterostrutture funzionalizzate su larga scala", afferma Tian. Si prevede che queste eterostrutture tenute insieme dalle interazioni di van der Waals saranno utili nei futuri nanodispositivi. + Esplora ulteriormente

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