Quando si tratta della crescita del grafene, un ultrasottile, ultraforte, materiale interamente in carbonio:è la sopravvivenza del più adatto, secondo i ricercatori dell'Università del Texas ad Austin.

Il team ha utilizzato l'ossigeno di superficie per far crescere sul rame cristalli singoli di grafene delle dimensioni di un centimetro. I cristalli erano circa 10, 000 volte più grande dei cristalli più grandi di soli quattro anni fa. I cristalli singoli molto grandi hanno proprietà elettriche eccezionali.

"Il gioco a cui giochiamo è che vogliamo che avvenga la nucleazione (la crescita di piccoli 'semi di cristallo'), ma vogliamo anche imbrigliare e controllare quanti di questi minuscoli nuclei ci sono, e che crescerà più grande, " ha detto Rodney S. Ruoff, professore alla Cockrell School of Engineering. "L'ossigeno alla giusta concentrazione superficiale significa che crescono solo pochi nuclei, e i vincitori possono crescere in cristalli molto grandi."

Il team, guidato dal borsista post-dottorato Yufeng Hao e Ruoff del Dipartimento di ingegneria meccanica e del programma di scienza e ingegneria dei materiali, insieme a Luigi Colombo, uno scienziato dei materiali della Texas Instruments, ha lavorato per tre anni sul metodo di crescita del grafene. La carta della squadra, "Il ruolo dell'ossigeno superficiale nella crescita del grafene monocristallino di grandi dimensioni sul rame, " è presente sulla copertina dell'8 novembre, 2013, problema di Scienza .

Uno dei materiali più resistenti al mondo, il grafene è flessibile e ha un'elevata conduttività elettrica e termica che lo rende un materiale promettente per l'elettronica flessibile, celle solari, batterie e transistor ad alta velocità. La comprensione da parte del team di come la crescita del grafene è influenzata dalle diverse quantità di ossigeno superficiale è un passo importante verso il miglioramento delle pellicole di grafene di alta qualità su scala industriale.

Il metodo del team "è una svolta fondamentale, che porterà alla crescita di film di grafene di alta qualità e di ampia area, " disse Sanjay Banerjee, che dirige la South West Academy of Nanoelectronics (SWAN) della Cockrell School. "Aumentando le dimensioni del dominio del singolo cristallo, le proprietà di trasporto elettronico saranno notevolmente migliorate e porteranno a nuove applicazioni nell'elettronica flessibile."

Il grafene è sempre stato coltivato in forma policristallina, questo è, è composto da molti cristalli che sono uniti tra loro con legami chimici irregolari ai confini tra i cristalli ("confini dei grani"), qualcosa come una trapunta patchwork. Il grafene monocristallino di grandi dimensioni è di grande interesse perché i bordi dei grani nel materiale policristallino presentano difetti, ed eliminare tali difetti rende il materiale migliore.

Controllando la concentrazione di ossigeno superficiale, i ricercatori potrebbero aumentare la dimensione del cristallo da un millimetro a un centimetro. Piuttosto che cristalli di forma esagonale e più piccoli, l'aggiunta della giusta quantità di ossigeno superficiale ha prodotto cristalli singoli molto più grandi con bordi multiramificati, simile a un fiocco di neve.

"A lungo termine potrebbe essere possibile ottenere cristalli singoli lunghi un metro, " Ruoff ha detto. "Questo è stato possibile con altri materiali, come silicio e quarzo. Anche una dimensione del cristallo di un centimetro, se i bordi dei grani non sono troppo difettosi, è estremamente significativa".

"Possiamo iniziare a pensare al potenziale utilizzo di questo materiale negli aeroplani e in altre applicazioni strutturali, se si rivela eccezionalmente resistente a scale di lunghezza come le parti di un'ala di aeroplano, e così via, " Egli ha detto.

Un'altra importante scoperta del team è stata che la "mobilità del vettore" degli elettroni (quanto velocemente si muovono gli elettroni) nei film di grafene cresciuti in presenza di ossigeno superficiale è eccezionalmente alta. Questo è importante perché la velocità con cui si muovono i portatori di carica è importante per molti dispositivi elettronici:maggiore è la velocità, più veloce può funzionare il dispositivo.

Yufeng Hao afferma di ritenere che le conoscenze acquisite in questo studio potrebbero rivelarsi utili per l'industria.

"L'alta qualità del grafene coltivato con il nostro metodo sarà probabilmente ulteriormente sviluppata dall'industria, e che alla fine consentirà ai dispositivi di essere più veloci ed efficienti, "Ha detto.

Le pellicole monocristalline possono essere utilizzate anche per la valutazione e lo sviluppo di nuovi tipi di dispositivi che richiedono una scala più ampia di quella che si poteva ottenere in precedenza, aggiunse Colombo.

"A quest'ora, non ci sono altre tecniche segnalate in grado di fornire film trasferibili di alta qualità, " ha detto Colombo. "Il materiale che siamo stati in grado di coltivare sarà molto più uniforme nelle sue proprietà rispetto a un film policristallino".