Figura 1. Grafene nanoporoso su Ni nanoporoso (a sinistra) e grafene nanoporoso dopo aver dissolto il substrato di Ni nanoporoso.
Il grafene nanoporoso tridimensionale (3D) con caratteri elettronici Dirac 2D conservati è stato sintetizzato con successo dal Dr. Yoshikazu Ito e dal Prof. Mingwei CHEN presso l'Advanced Institute for Materials Research (AIMR), Università di Tohoku. Il grafene nanoporoso è costituito da un foglio di grafene a strato singolo che è continuamente interconnesso per formare una complessa struttura di rete 3D. Questo grafene nanoporoso autoportante con un'eccellente cristallinità possiede un'elevata mobilità, mantenendo grandi promesse per le applicazioni nei dispositivi elettronici.
Il grafene nanoporoso è stato coltivato con un metodo di deposizione chimica da vapore (CVD) a base di metallo nanoporoso come mostrato nella Figura 1 (a). La morfologia complessiva del grafene nanoporoso nella Figura 1 (b) mostra un foglio sfuso autoportante spesso 20 µm. Sebbene il grafene nanoporoso 3D abbia una struttura complessa, è dimostrato essere 500 cm2/Vs nella mobilità degli elettroni e un sistema a cono di Dirac privo di massa. Poiché il transistor convenzionale richiede una mobilità degli elettroni di 200 cm2/Vs, si prevede che questo grafene nanoporoso porterà un nuovo dispositivo che può essere sostituito con dispositivi al silicio.
Questo lavoro è collaborato con i gruppi di ricerca del Prof. Katsumi Tanigaki e del Prof. Takashi Takahashi presso AIMR, Università di Tohoku. I risultati di questa ricerca saranno pubblicati nel numero 19 di ' Angewandte Chemie Edizione Internazionale ' come Hot Paper il 2 maggio.
Il grafene è un materiale di carbonio monostrato a basso costo, elevata stabilità chimico/termica, e ad altissima resistenza e dovrebbe sostituire il silicio e i metalli nobili per i dispositivi elettronici, materiali della batteria, rivelatori e catalizzatori foto/ioni. Sebbene alcuni prodotti in grafene come display ed elettrodi siano disponibili in commercio, le applicazioni sono limitate a causa della struttura del foglio 2D. In altre parole, le prestazioni per grammo sono eccellenti ma le prestazioni per volume non possono essere raggiunte facilmente. Perciò, sono stati fatti molti sforzi per costruire il materiale 2D come una struttura 3D con proprietà fisico/chimiche mantenute ed elevate prestazioni volumetriche. Però, i materiali di carbonio nanoporoso 3D riportati soffrono di scarsa mobilità a causa della minore cristallinità, che non può essere utilizzato per i dispositivi elettronici. Per ottenere materiali in carbonio 3D di grado semiconduttore, il foglio di grafene monostrato ad alta struttura cristallina è richiesto in una struttura 3D. Così, abbiamo sviluppato un grafene nanoporoso 3D con elevata mobilità preservata e proprietà elettroniche 2D uniche del grafene.
Figura 2. Morfologia del grafene nanoporoso 3D. (a) strutture legamentose 3D, (b) parte piatta e (c) parte di curvatura sul foglio di grafene con modelli atomici, rispettivamente.
Il grafene nanoporoso nella Figura 1 è stato sintetizzato con il metodo CVD a base di metallo nanoporoso. Il grafene nanoporoso eredita completamente la struttura geometrica del substrato di nichel nanoporoso dopo la dissoluzione del nichel. La struttura atomica del grafene nanoporoso è stata osservata da TEM come mostrato nella Figura 2. Il legamento in Figura 2 (a) è stato costruito da parti di superficie piatta (Figura 2 (b)) e parti di curvatura (Figura 2 (c)) del foglio di grafene. È ovvio che gli anelli a sei membri sono stati osservati nella parte piana mentre gli anelli a cinque e sette membri sono stati osservati nelle parti curve a causa dell'esigenza geometrica di creare le strutture di curvatura.
Sono state studiate le proprietà fisiche del grafene nanoporoso. Poiché il grafene 2D è un sistema a cono di Dirac (Figura 3 (a)) e mostra una densità elettronica di stato a dispersione lineare (Figura 3 (b)). Il grafene nanoporoso 3D in Figura 2 mostra anche una relazione lineare vicino al livello di Fermi, che è simile al grafene 2D. È stata misurata la mobilità degli elettroni del grafene nanoporoso con diverse dimensioni dei pori. All'aumentare della temperatura, la mobilità degli elettroni diminuisce leggermente a 200-400 cm2/Vs. Rispetto al grafene CVD 2D, la mobilità degli elettroni è ancora sufficientemente elevata per le applicazioni dei dispositivi.
In conclusione, il grafene nanoporoso preserva i futuri del grafene 2D. Questi risultati vengono inizialmente riportati per rivelare le proprietà fisiche del grafene nanoporoso 3D.
Figura 3. (a) Dispersione del cono di Dirac del grafene 2D. (b) Densità elettronica di stato tipica del grafene 2D. (c) Densità elettronica di stato del grafene nanoporoso 3D (esperimento) (d) Dipendenza dalla temperatura e dalla dimensione porosa della mobilità degli elettroni. L'area arancione mostra l'intervallo di mobilità degli elettroni del grafene CVD. La mobilità degli elettroni del silicio è di 1500 cm2/Vs.
Si prevede che il grafene nanoporoso 3D porti alla svolta nella risoluzione di un problema di prestazioni volumetriche del grafene 2D fornendo abbondanti strutture porose per un facile trasporto di massa e un'ampia superficie effettiva. Inoltre, il grafene nanoporoso conserva i caratteri elettronici del grafene 2D e dovrebbe essere impiegato per applicazioni in dispositivi elettronici come transistor e condensatori.
