Nuove osservazioni potrebbero migliorare la produzione industriale di grafene di alta qualità, accelerare l'era dell'elettronica di consumo basata sul grafene, grazie agli ingegneri dell'Università dell'Illinois.

Combinando i dati di diverse tecniche di imaging, il team ha scoperto che la qualità del grafene dipende dalla struttura cristallina del substrato di rame su cui cresce. Guidato dai professori di ingegneria elettrica e informatica Joseph Lyding ed Eric Pop, i ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Nano lettere .

"Il grafene è un materiale molto importante, " Lyding ha detto. "Il futuro dell'elettronica può dipendere da questo. La qualità della sua produzione è uno dei principali problemi irrisolti della nanotecnologia. Questo è un passo nella direzione di risolvere il problema".

Per produrre grandi fogli di grafene, il gas metano viene convogliato in un forno contenente un foglio di lamina di rame. Quando il metano colpisce il rame, i legami carbonio-idrogeno si spezzano. L'idrogeno fuoriesce come gas, mentre il carbonio si attacca alla superficie del rame. Gli atomi di carbonio si muovono finché non si incontrano e si legano per formare il grafene. Il rame è un substrato interessante perché è relativamente economico e favorisce la crescita del grafene a strato singolo, che è importante per le applicazioni elettroniche.

"È molto conveniente, modo semplice per produrre grafene su larga scala, " disse Joshua Wood, uno studente laureato e l'autore principale del documento.

"Però, questo non tiene in considerazione le sottigliezze del grafene in crescita, " ha detto. "La comprensione di queste sottigliezze è importante per realizzare prodotti di alta qualità, elettronica ad alte prestazioni."

Mentre il grafene coltivato su rame tende ad essere migliore del grafene coltivato su altri substrati, rimane crivellato di difetti e sezioni multistrato, precludendo applicazioni ad alte prestazioni. I ricercatori hanno ipotizzato che la rugosità della superficie del rame possa influenzare la crescita del grafene, ma il gruppo dell'Illinois ha scoperto che la struttura cristallina del rame è più importante.

Le lamine di rame sono un mosaico di diverse strutture cristalline. Quando il metano cade sulla superficie della lamina, le forme dei cristalli di rame che incontra influenzano il modo in cui gli atomi di carbonio formano il grafene.

A diverse forme di cristallo vengono assegnati numeri di indice. Utilizzando diverse tecniche di imaging avanzate, il team dell'Illinois ha scoperto che le chiazze di rame con numeri di indice più alti tendono ad avere una crescita di grafene di qualità inferiore. Hanno anche scoperto che due strutture cristalline comuni, numerati (100) e (111), avere la crescita peggiore e migliore, rispettivamente. I (100) cristalli hanno una forma cubica, con ampi spazi tra gli atomi. Nel frattempo, (111) ha una struttura esagonale densamente compatta.

"Nella configurazione (100) è più probabile che gli atomi di carbonio si attacchino nei fori del rame a livello atomico, e poi si impilano verticalmente invece di diffondersi e crescere lateralmente, " Wood disse. "La superficie (111) è esagonale, e anche il grafene è esagonale. Non è per dire che ci sia una corrispondenza perfetta, ma che c'è una corrispondenza preferita tra le superfici".

I ricercatori ora devono trovare un equilibrio tra il costo di tutto il (111) rame e il valore dell'alta qualità, grafene privo di difetti. È possibile produrre rame monocristallino, ma è difficile e proibitivo.

Il team dell'Università di I. ipotizza che potrebbe essere possibile migliorare la produzione di fogli di rame in modo che abbia una percentuale più elevata di (111) cristalli. Il grafene coltivato su tale foglio non sarebbe l'ideale, ma può essere "abbastanza buono" per la maggior parte delle applicazioni.

"La domanda è, come lo ottimizzi pur mantenendo l'efficacia dei costi per le applicazioni tecnologiche?" ha affermato Pop, un coautore del documento. "Come comunità, stiamo ancora scrivendo il libro di cucina per il grafene. Perfezioniamo costantemente le nostre tecniche, sperimentando nuove ricette. Come con qualsiasi tecnologia agli inizi, stiamo ancora esplorando cosa funziona e cosa no".

Prossimo, i ricercatori sperano di utilizzare la loro metodologia per studiare la crescita di altri materiali bidimensionali, inclusi isolanti per migliorare le prestazioni del dispositivo in grafene. Hanno anche in programma di dare seguito alle loro osservazioni coltivando grafene su rame monocristallino.

"C'è molta confusione nel business del grafene in questo momento, " Lyding ha detto. "Il fatto che ci sia una chiara differenza osservativa tra questi diversi indici di crescita aiuta a guidare la ricerca e probabilmente porterà a più esperimenti quantitativi ea una migliore modellazione. Questo documento sta incanalando le cose in quella direzione".