Un recente studio quantomeccanico sul grafene condotto da un gruppo di ricerca dell'Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), Corea del Sud, ha chiarito il meccanismo di intercalazione e le vie per il disaccoppiamento del grafene dal substrato di rame.

I film di grafene, cresciuti sui substrati di rame (Cu) devono essere staccati puliti senza lasciare residui, poiché le impurità metalliche residue possono alterare significativamente le proprietà elettroniche ed elettrochimiche del grafene.

Però, grazie ai recenti progressi nel metodo di trasferimento del grafene, la corrosione elettrochimica dei rivestimenti in grafene su Cu ha permesso di delaminare meccanicamente il materiale spesso monostrato senza compromettere significativamente la sua integrità strutturale.

La nuova ricerca UNIST sul grafene va in una nuova direzione separando con successo il grafene dai suoi substrati di crescita del metallo senza l'assistenza del nastro adesivo. I risultati della ricerca sono stati pubblicati nel numero di agosto del Giornale della Società Chimica Americana ( JACS ).

Nello studio, guidato dal Prof. Sang Kyu Kwak (Scuola di ingegneria energetica e chimica) e dal Prof. Rodney Ruoff (Centro per i materiali di carbonio multidimensionali), il team di ricerca ha rivelato la chimica di ossidazione superficiale della superficie Cu(111) ricoperta di nanonastri.

Nello specifico, hanno dimostrato che il tipo di bordo del nanoribbon di grafene (GNR) influenza gli stadi iniziali di ossidazione della superficie del Cu, guidando così il disaccoppiamento del nanonastro dall'intercalazione delle molecole di adsorbato circostanti (ad esempio ossigeno e acqua).

La differenza tra la poltrona GNR e lo zigzag GNR sul substrato Cu(111), si distingue per la presenza di uno stato di bordo nei bordi GNR a zigzag, che è stato attribuito all'ibridazione tra gli orbitali carbonio π fuori piano e gli orbitali metallici d. Questo stato limite, però, è assente nella poltrona GNR edge atomi. Tale osservazione non è stata riportata per GNR H-terminato su Cu(111).

I calcoli della modalità di allungamento vibrazionale hanno mostrato che i bordi GNR hanno influenzato l'assorbimento molecolare di ossigeno nei siti nudi e GNR/Cu, confermando il ruolo dei bordi GNR nell'indebolimento del legame O-O pre-allungato all'interfaccia GNR/Cu. Il team di ricerca ha anche spiegato che i bordi GNR hanno facilitato la stabilizzazione delle molecole d'acqua (indipendentemente dall'ossigenazione superficiale), che altrimenti sarebbe instabile sulla nuda superficie di Cu.

Dottor Kester Wong, chi si assume la piena responsabilità della ricerca, osserva che "le interazioni mediate dal GNR tra l'acqua ei radicali dell'ossigeno chemisorbiti possono gettare ulteriore luce nel chiarire il ruolo dell'acqua e dell'ossigeno nella formazione di ossido superficiale".

"Questo particolare studio potrebbe avere implicazioni interessanti per lo sviluppo della catalisi regioselettiva a base di grafene. Tuttavia, l'utilizzo di altre sfaccettature del cristallo per lo studio interfacciale di materiali a bassa dimensionalità è di grande interesse, e diverse indagini sono pesantemente perseguite dal nostro gruppo in questo settore", dice il prof. Kwak.