Il grafene è la roba del futuro. Per anni, ricercatori e tecnologi hanno previsto l'utilità dei fogli di carbonio puro dello spessore di un atomo in tutto, dai touch screen avanzati e semiconduttori alle batterie di lunga durata e alle celle solari di prossima generazione.

Ma le proprietà intrinseche uniche del grafene - conducibilità elettrica e termica suprema e notevole mobilità degli elettroni, per citarne solo alcuni - può essere pienamente realizzato solo se viene coltivato privo di difetti che interrompono il modello a nido d'ape degli atomi di carbonio legati.

Un team guidato dallo scienziato dei materiali Anirudha Sumant con l'Argonne National Laboratory's Center for Nanoscale Materials (CNM) e la divisione di scienza dei materiali del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti (DOE), insieme ai collaboratori dell'Università della California-Riverside, ha sviluppato un metodo per coltivare il grafene che contiene relativamente poche impurità e costa meno da produrre, in un tempo più breve e a temperature inferiori rispetto ai processi largamente utilizzati per realizzare oggi il grafene.

Il lavoro teorico condotto dal nanoscienziato di Argonne Subramanian Sankaranarayanan al CNM ha aiutato i ricercatori a comprendere i processi a livello molecolare alla base della crescita del grafene.

"Avevo a che fare con tutte queste diverse tecniche di coltivazione del grafene, e non vedi mai un'uniforme simile, superficie liscia."

La nuova tecnologia sfrutta il diamante ultrananocristallino (UNCD), un tipo sintetico di diamante che i ricercatori di Argonne hanno sperimentato in anni di ricerca. UNCD funge da substrato fisico, o superficie su cui cresce il grafene, e la fonte per gli atomi di carbonio che compongono un foglio di grafene prodotto rapidamente.

"Quando ho guardato per la prima volta la [micrografia elettronica a scansione] e ho visto questa bella uniforme, strato molto completo, È stato stupefacente, " disse Diana Berman, il primo autore dello studio ed ex associato di ricerca post-dottorato che ha lavorato con Sumant ed è ora Assistant Professor presso l'Università del North Texas. "Avevo a che fare con tutte queste diverse tecniche di coltivazione del grafene, e non vedi mai un'uniforme simile, superficie liscia."

Gli attuali protocolli di fabbricazione del grafene introducono impurità durante il processo di incisione stesso, che comporta l'aggiunta di acidi e polimeri extra, e quando vengono trasferiti su un substrato diverso per l'uso nell'elettronica.

"Le impurità introdotte durante questa incisione e la fase di trasferimento influiscono negativamente sulle proprietà elettroniche del grafene, " Ha detto Sumant. "Quindi non si ottengono le proprietà intrinseche del grafene quando si esegue effettivamente questo trasferimento".

Il team ha scoperto che il singolo strato, il grafene a dominio singolo può essere coltivato lateralmente su fori di dimensioni micron, rendendoli completamente indipendenti (cioè staccato dal sottofondo). Ciò rende possibile sfruttare le proprietà intrinseche del grafene fabbricando dispositivi direttamente sul grafene indipendente.

Il nuovo processo è anche molto più conveniente rispetto ai metodi convenzionali basati sull'utilizzo del carburo di silicio come substrato. Sumant afferma che i wafer di carburo di silicio da 3 a 4 pollici utilizzati in questi tipi di metodi di crescita costano circa $ 1, 200, mentre i film UNCD su wafer di silicio costano meno di $ 500 da realizzare.

Il metodo del diamante richiede anche meno di un minuto per far crescere un foglio di grafene, dove il metodo convenzionale assume l'ordine delle ore.

L'alta qualità del grafene è stata confermata dai coautori della UC Riverside Zhong Yan e Alexander Balandin fabbricando transistor ad effetto di campo top-gate da questo materiale e misurandone la mobilità degli elettroni e la concentrazione dei portatori di carica.

"È noto che alcuni metalli, come nichel e ferro, sciogliere il diamante a temperature elevate, e lo stesso processo è stato utilizzato per molti anni per lucidare il diamante, " ha detto Sumant. Lui e il suo team hanno usato questa proprietà per impiegare il nichel nella conversione dello strato superiore del diamante in carbonio amorfo, ma non era chiaro come questi atomi di carbonio liberati si convertissero istantaneamente in grafene di alta qualità.

Dopo la scoperta iniziale di Sumant e Berman di coltivare grafene direttamente su UNCD, Sankaranarayanan e i suoi postdoc Badri Narayanan e Sanket Deshmukh, gli scienziati dei materiali computazionali del CNM hanno utilizzato le risorse dell'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) per aiutare il team a comprendere meglio il meccanismo del processo di crescita alla base di questo interessante fenomeno utilizzando simulazioni dinamiche molecolari reattive.

Simulazioni al computer sviluppate da Narayanan, Deshmukh e Sankaranarayanan hanno mostrato che un certo orientamento cristallografico del nichel-111 favorisce fortemente la nucleazione, e successiva rapida crescita del grafene; questo è stato poi confermato sperimentalmente.

Queste simulazioni su larga scala hanno anche mostrato come si forma il grafene. Gli atomi di nichel si diffondono nel diamante e ne distruggono l'ordine cristallino, mentre gli atomi di carbonio di questo solido amorfo si spostano sulla superficie del nichel e formano rapidamente strutture a nido d'ape, con conseguente grafene per lo più privo di difetti.

Il nichel ha poi percolato attraverso i grani cristallini fini dell'UNCD, sprofondando e rimuovendo la necessità per l'acido di dissolvere gli atomi di metallo in eccesso dalla superficie superiore.

"È come incontrare in un luogo sconosciuto un buon samaritano che ti aiuta, fa il suo lavoro e se ne va tranquillamente senza lasciare traccia, " disse Suman.

"Il comprovato potere predittivo delle nostre simulazioni ci pone in una posizione di vantaggio per consentire la rapida scoperta di nuove leghe catalitiche che mediano la crescita di grafene di alta qualità sui dielettrici e si allontanano da sole quando la crescita è completata, "aggiunse Narayanan.

Oltre all'utilità nel rendere minimamente difettoso, grafene pronto per l'applicazione per cose come sensori di vibrazione a bassa frequenza, transistor a radiofrequenza e elettrodi migliori per la purificazione dell'acqua, Berman e Sumant affermano che il team di Argonne ha già ottenuto tre brevetti derivanti dal loro nuovo metodo di crescita del grafene.

I ricercatori hanno già stretto una collaborazione con l'Istituto svedese di fisica spaziale che coinvolge l'Agenzia spaziale europea per il loro programma Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) per sviluppare sonde rivestite di grafene che possono aiutare i veicoli esplorativi a percepire le proprietà del plasma che circonda le lune di Giove.

Più vicino a casa, il team ha anche realizzato aghi di diamante e grafene per i ricercatori della North Carolina University da utilizzare in applicazioni di biorilevamento.

I ricercatori di Argonne stanno ora mettendo a punto il processo - modificando la temperatura utilizzata per catalizzare la reazione e regolando lo spessore del substrato di diamante e la composizione del film metallico che facilita la crescita del grafene - sia per ottimizzare la reazione che per studiare meglio il fisica all'interfaccia grafene-diamante.

"Stiamo cercando di sintonizzarci con più attenzione per avere una migliore comprensione di quali condizioni portano a quale qualità di grafene stiamo vedendo, " ha detto Berman.

Altri autori Argonne coinvolti nello studio sono stati Alexander Zinovev e Daniel Rosenmann. La carta, "Trasformazione rapida del diamante indotta dal metallo in grafene singolo e multistrato su scala di wafer, " è pubblicato in Comunicazioni sulla natura .