Ciò che si trova sotto le crescenti isole di grafene è importante per le sue proprietà, secondo un nuovo studio condotto dalla Rice University.

Gli scienziati della Rice hanno analizzato i modelli di grafene, un foglio di carbonio dello spessore di un atomo, cresciuto in una fornace tramite deposizione chimica da vapore. Hanno scoperto che la relazione geometrica tra il grafene e il substrato, il materiale sottostante su cui il carbonio si assembla atomo per atomo, determina come emergono le forme dell'isola.

Lo studio condotto dal fisico teorico di Rice Boris Yakobson e dal ricercatore postdottorato Vasilii Artyukhov mostra come la disposizione cristallina degli atomi nei substrati comunemente usati nella crescita del grafene, come nichel o rame, controlla come si formano le isole. I risultati sono apparsi oggi in Lettere di revisione fisica .

"Gli esperimenti che mostrano le straordinarie proprietà elettroniche del grafene vengono generalmente eseguiti su grafene esfoliato meccanicamente, " ha detto Artyukhov. "Questo ti limita in termini di dimensione del fiocco, ed è costoso se hai bisogno di molto materiale. Quindi tutti stanno cercando di trovare un modo migliore per coltivarlo da gas come il metano (la fonte degli atomi di carbonio) usando diversi metalli di substrato. Il problema è, i cristalli risultanti hanno un aspetto diverso da substrato a substrato, anche se è tutto grafene."

Yakobson ha affermato che i ricercatori vedono spesso isole di grafene di forma strana cresciute mediante deposizione chimica da vapore, "e tutti ci siamo chiesti perché. In generale, questo è molto sorprendente, perché nel grafene, i sei lati dovrebbero essere identici." Triangoli e altre forme, Egli ha detto, sono esempi di rottura di simmetria; sistemi che altrimenti produrrebbero forme regolari si "rompono" e ne producono di meno regolari.

Il grafene si forma in un forno di deposizione chimica da vapore quando gli atomi di carbonio che galleggiano nella nebbia calda si depositano sul substrato metallico. Gli atomi si legano in caratteristici anelli a sei facce, ma come un'isola cresce, la sua forma complessiva può assumere varie forme, da esagoni a esagoni allungati a strutture più casuali, anche triangoli. I ricercatori hanno scoperto una forte correlazione tra la forma ultima dell'isola e la disposizione degli atomi nella superficie esposta del substrato, che può essere triangolare, quadrato, rettangolare o altro.

I ricercatori hanno scoperto che i singoli atomi seguono la road map stabilita dal substrato, come illustrato da un'immagine al microscopio di due grani di substrato di rame che ospitano due forme distinte di grafene, anche se le condizioni di crescita sono identiche. Su un grano, le isole di grafene sono tutte esagoni quasi perfetti; dall'altra, le isole esagonali sono allungate e allineate.

"L'immagine mostra che i meccanismi di crescita di base sono gli stessi, ma la differenza nelle isole è dovuta alle sottili differenze tra le superfici cristallografiche del grafene e del rame, "Ha detto Yakobson.

Poiché i bordi del grafene sono così importanti per le sue proprietà elettroniche, ogni passo verso la comprensione della sua crescita è importante, Egli ha detto. Se un bordo di grafene finisce come uno zigzag, una poltrona o qualcosa di intermedio dipende da come i singoli atomi cadono in equilibrio mentre bilanciano le energie tra i loro atomi di carbonio vicini e quelli del substrato.

Gli atomi nei metalli formano una disposizione specifica, un reticolo cristallino, come un reticolo di rame puro chiamato "cubo a facce centrate". Ma i singoli grani possono avere superfici diverse in materiale policristallino come i fogli di rame usati frequentemente come substrati per la crescita del grafene.

"A seconda del modo in cui tagli un cubo a metà, puoi finire con il quadrato, facce rettangolari o anche triangolari, " ha detto Artyukhov. "La superficie della lamina di rame può avere trame diverse in luoghi diversi. La microscopia elettronica ha mostrato che tutte le isole di grafene che crescono sullo stesso grano di rame tendono ad avere una forma simile, ad esempio, tutti esagoni perfetti, o tutto allungato."

Ha detto che le isole ereditano la simmetria delle superfici dei grani e crescono più velocemente in alcune direzioni, il che spiega la peculiare distribuzione delle forme.

Quando il processo di crescita è sufficientemente lungo, le isole si fondono in film di grafene più grandi. Dove i reticoli di carbonio non si allineano tra loro, gli atomi cercano l'equilibrio e formano i bordi dei grani che controllano le proprietà elettroniche del foglio più grande. I ricercatori – e le industrie – desiderano modi per controllare le proprietà dei semiconduttori del grafene controllando i confini.

"Una buona comprensione di questo processo fornisce indicazioni su come organizzare l'orientamento reciproco delle isole, " Yakobson ha detto. "Quindi quando si fondono puoi, per disegno, creare bordi di grano particolari con proprietà particolarmente interessanti. Quindi questa ricerca, più che soddisfare la nostra curiosità, è molto utile."

Ha suggerito che gli stessi calcoli potrebbero essere applicati alla crescita di altri materiali bidimensionali come il nitruro di boro esagonale o il disolfuro di molibdeno e i suoi parenti, anche ampiamente studiati per il loro potenziale per l'elettronica.

I coautori del documento sono Yufeng Hao, uno scienziato ricercatore presso la Columbia University, e Rodney Ruoff, direttore del Center for Multidimensional Carbon Materials presso l'Ulsan National Institute of Science and Technology, Ulsan, Corea del Sud.