Pannello (a):l'immagine ottica di un film di grafene CVD su un rame da 450 nanometri mostra la morfologia delle dita del metallo; (b) Mappa della banda Raman 2D del film di grafene tra le dita di metallo, sopra l'area contrassegnata dal quadrato rosso a sinistra. Credito:immagine di Yuegang Zhang
Grafene, la forma cristallina bidimensionale del carbonio, è una potenziale superstar per l'industria elettronica. Con elettroni stranamente mobili che possono sfrecciare attraverso il materiale quasi alla velocità della luce - 100 volte più veloce di quanto gli elettroni possano muoversi attraverso il silicio - il grafene potrebbe essere usato per creare transistor superveloci o chip di memoria per computer. L'esclusiva struttura atomica del "filo di pollo" del grafene mostra un'incredibile flessibilità e resistenza meccanica, così come proprietà ottiche insolite che potrebbero aprire una serie di porte promettenti sia nell'industria elettronica che in quella fotonica. Però, tra gli ostacoli che impediscono al grafene di entrare nel pantheon dei materiali high-tech delle stelle, forse nessuno è più grande dell'imparare a fare cose di alta qualità e quantità utilizzabili.
"Prima di poter utilizzare appieno le proprietà elettroniche superiori del grafene nei dispositivi, dobbiamo prima sviluppare un metodo per formare film uniformi di grafene a strato singolo su substrati non conduttori su larga scala, "dice Yuegang Zhang, uno scienziato dei materiali con il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Gli attuali metodi di fabbricazione basati sulla scissione meccanica o sulla ricottura in vuoto ultraelevato, lui dice, sono inadatti alla produzione su scala commerciale. I film di grafene realizzati tramite deposizione basata su soluzione e riduzione chimica hanno risentito di una qualità scadente o irregolare.
Zhang e colleghi della Molecular Foundry di Berkeley Lab, un centro del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) per le nanoscienze, hanno compiuto un passo significativo per superare questo grosso ostacolo. Hanno utilizzato con successo la deposizione chimica diretta da vapore (CVD) per sintetizzare film a strato singolo di grafene su un substrato dielettrico. Zhang e i suoi colleghi hanno realizzato i loro film di grafene decomponendo cataliticamente i precursori di idrocarburi su sottili film di rame che erano stati pre-depositati sul substrato dielettrico. I film di rame sono stati successivamente deumidificati (separati in pozzanghere o goccioline) e sono stati evaporati. Il prodotto finale era un film di grafene a strato singolo su un dielettrico nudo.
"Questa è una notizia entusiasmante per le applicazioni elettroniche perché la deposizione chimica da vapore è una tecnica già ampiamente utilizzata nell'industria dei semiconduttori, "Dice Zhang. "Inoltre, possiamo imparare di più sulla crescita del grafene sulle superfici dei catalizzatori metallici osservando l'evoluzione dei film dopo l'evaporazione del rame. Ciò dovrebbe gettare una base importante per un ulteriore controllo del processo e consentirci di adattare le proprietà di questi film o produrre le morfologie desiderate, come i nanonastri di grafene."
Zhang e i suoi colleghi hanno riportato le loro scoperte sulla rivista Nano lettere in un documento intitolato, "Deposizione chimica diretta da vapore di grafene su superfici dielettriche". Altri coautori di questo articolo sono stati Ariel Ismach, Clara Druzgalski, Samuel Penwell, Maxwell Zheng, Ali Javey e Jeffrey Bokor, tutto con Berkeley Lab.
Nel loro studio, Zhang e i suoi colleghi hanno utilizzato l'evaporazione a fascio di elettroni per depositare film di rame con uno spessore compreso tra 100 e 450 nanometri. Il rame è stato scelto perché, come catalizzatore metallico a bassa solubilità del carbonio, avrebbe dovuto consentire un migliore controllo sul numero di strati di grafene prodotti. Sono stati valutati diversi substrati dielettrici tra cui quarzo a cristallo singolo, zaffiro, wafer di silice fusa e ossido di silicio. Il CVD del grafene è stato effettuato a 1, 000 gradi Celsius in durate che variavano da 15 minuti fino a sette ore.
"Questo è stato fatto per permetterci di studiare l'effetto dello spessore del film, tipo di substrato e tempo di crescita CVD sulla formazione del grafene, " dice Zhang.
Una combinazione di mappatura Raman a scansione e spettroscopia, inoltre la microscopia a scansione elettronica e a forza atomica ha confermato la presenza di film continui di grafene a strato singolo che rivestono aree prive di metallo del substrato dielettrico che misurano decine di micrometri quadrati.
Per realizzare un film sottile di grafene, I ricercatori di Berkeley (a) hanno fatto evaporare un sottile strato di rame su una superficie dielettrica; (b) ha quindi utilizzato CVD per stendere un film di grafene sul rame. (c) Il rame si bagna ed evapora lasciando (d) un film di grafene direttamente su un substrato dielettrico. Credito:immagine di Yuegang Zhang
"Un ulteriore miglioramento del controllo del processo di dewetting ed evaporazione potrebbe portare alla deposizione diretta di grafene modellato per la fabbricazione di dispositivi elettronici su larga scala, dice Zhang. "Questo metodo potrebbe anche essere generalizzato e utilizzato per depositare altri materiali bidimensionali, come il nitruro di boro."
Anche la comparsa di rughe nei film di grafene che si sono susseguite lungo le linee della forma deumidificante del rame potrebbe rivelarsi benefica nel lungo periodo. Sebbene studi precedenti abbiano indicato che le rughe in un film di grafene hanno un impatto negativo sulle proprietà elettroniche introducendo ceppi che riducono la mobilità degli elettroni, Zhang crede che le rughe possano essere trasformate in un vantaggio.
"Se possiamo imparare a controllare la formazione delle rughe nei nostri film, dovremmo essere in grado di modulare il ceppo risultante e quindi adattare le proprietà elettroniche, " dice. "Ulteriori studi sulla formazione delle rughe potrebbero anche darci nuovi importanti indizi per la formazione di nanonastri di grafene".
