Il carbonio atomico (sfere nere) viene evaporato a oltre 2, 300 gradi Celsius e depositato su una piattaforma d'argento dove si formano scaglie di grafene. Le regioni di colore più chiaro corrispondono alla crescita del grafene e l'argento è rappresentato nelle regioni più scure.
(Phys.org) —Argento, incontrare il grafene. Fortissimo, super leggero, quasi totalmente trasparente e uno dei migliori conduttori di elettricità mai scoperti, il grafene è un foglio di atomi di carbonio dello spessore di un atomo che deve le sue straordinarie proprietà alla bidimensionalità.
Grafene, incontrare l'argento. L'argento è un metallo nobile di alta qualità che si corrode molto lentamente nell'aria umida e in genere non interagisce chimicamente con altre sostanze. Grafene, nel frattempo, è una piattaforma ricercata per nuove applicazioni fisiche e dispositivi.
"Hai un materiale, d'argento, è davvero bravo a confinare la luce e un altro, grafene, questo è davvero buono con gli elettroni che si muovono in modo efficiente, ", ha detto lo studente laureato della Northwestern University Brian Kiraly, che ha scoperto il nuovo processo che rende possibile la crescita del grafene sull'argento.
Ricercatori presso il Laboratorio Nazionale Argonne del Dipartimento di Energia, in collaborazione con scienziati della Northwestern University, sono i primi a coltivare il grafene sull'argento, che fino ad ora ha rappresentato una grande sfida per molti nel campo. Parte del problema ha a che fare con le proprietà dell'argento; l'altro riguarda il processo mediante il quale viene coltivato il grafene.
La deposizione chimica da vapore è attualmente lo standard industriale per la coltivazione del grafene. La tecnica consente agli idrocarburi, come il metano o l'etilene, decomporsi su una piattaforma calda per formare atomi di carbonio che diventano grafene. Però, questa tecnica non funziona con una piattaforma d'argento.
"Il metodo tradizionale di decomposizione dell'idrocarburo su un metallo di transizione non funzionava, "ha detto Nathan Guisinger, uno scienziato del personale presso il Center for Nanoscale Materials di Argonne. "Il metano non si rompe, colpirà solo l'argento caldo e rimbalzerà e rimarrà metano, quindi non c'è una fonte di carbonio per far crescere effettivamente il grafene".
A questo punto, per capire come far crescere il grafene sull'argento, i ricercatori avevano bisogno di comprendere le proprietà atomiche e molecolari del materiale. Ad esempio, il carbonio atomico evapora a temperature estremamente elevate, oltre 2, 400 gradi Celsius, costringendo i ricercatori a tenere conto di una serie di parametri diversi per creare uno strato spesso un atomo.
Inoltre, considerando che il grafene viene coltivato convenzionalmente a temperature di 1, 000 gradi C o superiore, la nuova tecnica Argonne-Northwestern lo coltiva ad una temperatura inferiore a 750 gradi, dando ai ricercatori più opzioni per lavorare con il materiale. Questo metodo rallenta anche il processo per determinare il giusto tasso di crescita e distribuzione per un singolo strato di atomi di carbonio che atterrano sull'argento.
Un rendering tridimensionale del grafene che mostra una crescita continua su una piattaforma. I colori più chiari corrispondono a posizioni relative leggermente più alte. Le onde rappresentano i legami tra gli atomi di carbonio nel reticolo a nido d'ape.
Il primo passo nella crescita dello strato di grafene è stato assicurarsi che il substrato d'argento fosse "atomicamente pulito", uno standard difficile da soddisfare.
"È molto difficile creare una piattaforma atomicamente pulita, " Ha detto Guisinger. "Quasi tutte le piattaforme esposte all'aria si ricoprono di uno strato d'acqua e si ossidano". i ricercatori lavorano in un ambiente ad ultra alto vuoto appositamente progettato.
Per pulire inizialmente la piattaforma, Kiraly ha usato una tecnica chiamata "ricottura sputter". È qui che la piattaforma utilizzata per far crescere il grafene viene spruzzata con ioni che masticano la superficie e la liberano da qualsiasi materiale organico o inorganico. Il passo successivo è la ricottura del metallo, un processo "che lo guarisce e consente superfici atomicamente pulite e piatte, " disse Kirali.
Dopo una serie di esami, i ricercatori hanno scoperto di aver depositato con successo un singolo strato di grafene sull'argento.
Incoraggiato da questo risultato, i ricercatori sperano di dimostrare come stratificare il grafene con altri materiali dello spessore di un atomo, come il silicio, in strati atomici impilati per creare materiali ibridi.
A causa delle eccellenti proprietà ottiche dell'argento, Kiraly immagina che questa ricerca abbia applicazioni nei rivelatori.
"Convenzionalmente, puoi fare cose con componenti sia ottici che elettronici, come nei dispositivi optoelettronici, " ha detto Kiraly. "Qualsiasi cosa come un fotorilevatore o una cella solare ha un qualche tipo di interazione della luce che corrisponde a un effetto elettronico o viceversa."
C'è un crescente interesse nel spostare il grafene dal laboratorio a quello più leggero, dispositivi di consumo più efficienti dal punto di vista energetico. L'Università di Manchester in Inghilterra, Per esempio, termineranno il loro National Graphene Institute l'anno prossimo per un importo di 61 milioni di sterline.
"Con la scoperta di come fare il grafene, ora c'è una caccia a più materiali bidimensionali. Una volta scoperti, vogliamo sapere come abbinarli, " disse Guisinger.
Ma per ora, spetta a scienziati come Guisinger e Kiraly capire come questi pezzi delle dimensioni di un atomo si incastrano per creare le prossime scoperte tecnologiche.
Il lavoro è descritto in un documento, "Crescita solida e caratterizzazione su scala atomica del grafene su Ag(111)", pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura .
