Fiocchi di neve incisi nel grafene presso Skoltech. Le aree chiare sono grafene e quelle scure sono rame ossidato. Il motivo a fiocco di neve è emerso quando il grafene circostante è stato assorbito dall'anidride carbonica in uno degli esperimenti prima che fosse trovata la composizione ottimale del gas. Credito:Artem Grebenko/Skoltech
I ricercatori di Skoltech, MIPT, RAS Institute of Solid State Physics, Aalto University e altrove hanno proposto la prima tecnica di sintesi del grafene che utilizza il monossido di carbonio come fonte di carbonio. È un modo rapido ed economico per produrre grafene di alta qualità con apparecchiature relativamente semplici da utilizzare in circuiti elettronici, sensori di gas, ottica e altro ancora. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Advanced Science .
La deposizione chimica da vapore è la tecnologia standard per sintetizzare il grafene, il foglio spesso un atomo di atomi di carbonio in una disposizione a nido d'ape con proprietà impareggiabili utili per applicazioni elettroniche e altro ancora. La CVD di solito coinvolge gli atomi di carbonio che rompono le molecole di gas e si depositano su un substrato come un monostrato in una camera a vuoto. Un substrato popolare è il rame e i gas utilizzati sono sempre stati idrocarburi:metano, propano, acetilene, alcolici, ecc.
"L'idea di sintetizzare il grafene dal monossido di carbonio è nata molto tempo fa, poiché quel gas è una delle fonti di carbonio più convenienti per la crescita di nanotubi di carbonio a parete singola. Abbiamo esperienza di lavoro con il monossido di carbonio da quasi 20 anni. Tuttavia , i nostri primi esperimenti con il grafene non hanno avuto successo e ci è voluto molto tempo per capire come controllare la nucleazione e la crescita del grafene.La bellezza del monossido di carbonio sta nella sua decomposizione esclusivamente catalitica, che ci ha permesso di implementare la sintesi autolimitante di grandi cristalli di grafene a strato singolo anche a pressione ambiente", afferma il ricercatore principale dello studio, il professor Albert Nasibulin di Skoltech.
"Questo progetto è uno dei brillanti esempi di come gli studi fondamentali avvantaggiano le tecnologie applicate. Le condizioni ottimizzate che portano alla formazione di grandi cristalli di grafene sono diventate fattibili grazie alla comprensione del meccanismo cinetico profondo per la formazione e la crescita del grafene verificata sia dalla teoria che dall'esperimento ", sottolinea un coautore dell'articolo, il ricercatore senior Dmitry Krasnikov di Skoltech.
Il nuovo metodo beneficia del principio del cosiddetto autolimitante. Ad alte temperature, le molecole di monossido di carbonio tendono a rompersi in atomi di carbonio e ossigeno quando si avvicinano al substrato di rame. Eppure una volta che il primo strato di carbonio cristallino si è depositato e separa il gas dal substrato, questa tendenza si attenua, quindi il processo favorisce naturalmente la formazione di un monostrato. Anche le CVD a base di metano possono operare in modo autolimitante, ma in misura minore.
"Il sistema che abbiamo utilizzato presenta una serie di vantaggi:il grafene risultante è più puro, cresce più velocemente e forma cristalli migliori. Inoltre, questa modifica previene gli incidenti con l'idrogeno e altri gas esplosivi eliminandoli del tutto dal processo", afferma il primo studio autore, stagista Skoltech Artem Grebenko.
Il fatto che il metodo escluda i rischi di combustione significa che non è necessario il vuoto. L'apparecchio funziona a pressione standard, il che lo rende molto più semplice rispetto alle apparecchiature CVD convenzionali. Il design semplificato, a sua volta, porta a una sintesi più rapida. "Ci vogliono solo 30 minuti dal prendere un pezzo di rame nudo per estrarre il grafene", dice Grebenko.
Poiché il vuoto non è più necessario, l'attrezzatura non solo funziona più velocemente, ma diventa anche più economica. "Una volta abbandonato l'hardware di fascia alta per la generazione di un vuoto ultra alto, puoi effettivamente assemblare la nostra 'soluzione garage' per non più di $ 1.000", sottolinea il ricercatore.
Il coautore dello studio Boris Gorshunov, professore al MIPT, sottolinea l'alta qualità del materiale risultante:"Ogni volta che viene presentata una nuova tecnica di sintesi del grafene, è imperativo che i ricercatori dimostrino che produce ciò che affermano. Dopo test rigorosi , possiamo affermare con sicurezza che il nostro è davvero grafene di alta qualità in grado di competere con il materiale prodotto tramite CVD da altri gas. Il materiale risultante è cristallino, puro e viene fornito in pezzi abbastanza grandi da poter essere utilizzato nell'elettronica."
Oltre alle applicazioni standard del grafene in quanto tale, esistono interessanti possibilità di utilizzare il grafene legato al substrato di rame, senza eliminare il metallo. Rispetto al metano, il monossido di carbonio ha un'energia di adesione al metallo molto elevata. Ciò significa che, quando si verifica la deposizione, il grafene protegge lo strato di rame dalle reazioni chimiche e lo dota di struttura, creando una superficie metallica altamente sviluppata che ha grandi proprietà catalitiche. Alcuni altri metalli, come il rutenio e il palladio, funzionerebbero anche in questo contesto per aprire la strada a nuovi materiali con superfici insolite. + Esplora ulteriormente
