Grazie alla sua conducibilità, forza e flessibilità, il grafene è considerato uno dei più probabili sostituti del silicio e di altri materiali. Però, non ha ancora portato ad applicazioni industriali. Il grafene monocristallino di alta qualità può essere prodotto solo in quantità da un paio di millimetri a pochi centimetri. Recentemente, un team guidato dal Prof. Feng Ding e dal Prof. Rodney Ruoff con l'Institute for Basic Science (IBS), Prof. Kaihui Liu all'Università di Pechino, e i loro collaboratori hanno riportato la sintesi di un grande foglio di grafene monocristallino monostrato. Questo risultato consente un balzo in avanti nella produzione di grafene verso un metodo ottimizzato per fabbricare un prodotto quasi perfetto (> 99,9 % allineato) 5 × 50 cm ² grafene monocristallino in soli 20 minuti. Inoltre, i bassi costi di produzione, paragonabile ai film di grafene policristallino di qualità inferiore disponibili in commercio, potrebbe ampliare la sua fruibilità. Dettagliato in Bollettino Scientifico , si prevede che il metodo stimolerà un ulteriore lavoro fondamentale sul grafene e sui materiali correlati, compresa la piegatura su larga scala di fogli di grafene, simile alla carta, creando forme simili a origami o kirigami che potrebbero essere applicate a futuri circuiti flessibili.

Il grafene monocristallino è un monostrato a forma di nido d'ape di atomi di carbonio, uniforme in tutto il materiale D'altra parte, il grafene policristallino è formato da isole di grafene orientate casualmente, che ne diminuiscono la qualità. Attualmente, gli scienziati sono in grado di coltivare grafene policristallino delle dimensioni di un metro e grafene monocristallino più piccolo, che vanno da 0,01 mm ² a pochi cm ² . La sintesi di un grande grafene monocristallino a basso costo è un obiettivo fondamentale della sintesi del grafene. In questo studio, il grafene è cresciuto sulla superficie di un 5 × 50 cm ² lamina di rame, che è stato trasformato in una lamina di rame monocristallo mediante riscaldamento a ~ 1, 030°. La pendenza della temperatura dal caldo al freddo ha spostato in avanti il ​​cosiddetto confine di grano, creando un monocristallo perfetto. Nel trattamento di riscaldamento e raffrescamento, gli atomi di rame migrano all'interno del materiale, disponendosi in una struttura ordinata con meno difetti. "Il segreto per ottenere grafene monocristallo di grandi dimensioni è avere un perfetto rame monocristallino come base con cui iniziare. La lamina di rame monocristallo di grandi dimensioni non è disponibile in commercio, quindi i laboratori devono costruirlo con i propri mezzi, " spiega Feng Ding, capogruppo presso il Center for Multidimensional Carbon Materials.

Quindi, tramite un'altra tecnica chiamata deposizione chimica da vapore, milioni di isole parallele di grafene si formano sulla superficie della lamina di rame. Man mano che più atomi di carbonio si depositano sulla lamina, le isole crescono fino a fondersi e formare uno strato di grafene monocristallino quasi perfetto che copre l'intera superficie disponibile.

Per ottimizzare la tecnica, il team ha dovuto considerare quattro sfide tecniche:(i) preparazione di un foglio di rame monocristallino in un'area molto ampia, (ii) ottenere un alto grado di allineamento delle isole di grafene a seguito della loro nucleazione e crescita, (iii) cucire senza soluzione di continuità le isole di grafene in un singolo cristallo attraverso un'ulteriore crescita e (iv) la rapida crescita del grafene a cristallo singolo. Sebbene i rapporti precedenti abbiano affrontato alcune delle sfide di cui sopra, questo studio li ha superati tutti e ha reso possibile la sintesi del grafene a cristallo singolo delle dimensioni di un metro. Il grado delle isole di grafene disallineate è inferiore allo 0,1 percento, pari a difetti trascurabili e bordi di grano nei prodotti.

Il risultato attuale era limitato solo dalle dimensioni della lamina di rame e, in linea di principio, sia la dimensione della lamina di rame che quella del film di grafene potrebbero essere illimitate. Inoltre, considerando il tempo molto breve per la sintesi del grafene (20 minuti) e la configurazione sperimentale relativamente a basso costo, il prezzo di un grafene monocristallo (o quasi monocristallo) potrebbe essere vicino a quello degli attuali film di grafene policristallino.

"Il sogno di molti scienziati è sostituire il silicio, " dice Ding. "Ora, stiamo esplorando quale sia il materiale migliore per coltivare il grafene sopra, e come usare il rame come substrato per altri interessanti materiali 2-D."