Un nuovo metodo per produrre grandi, i film di grafene monostrato a cristallo singolo più lunghi di un piede si basano sullo sfruttamento di una competizione "sopravvivenza del più adatto" tra i cristalli. La nuova tecnica, sviluppato da un team guidato dall'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy, può aprire nuove opportunità per la coltivazione di materiali bidimensionali di alta qualità necessari per applicazioni pratiche tanto attese.

Realizzare strati sottili di grafene e altri materiali 2D su una scala richiesta per scopi di ricerca è comune, ma devono essere fabbricati su una scala molto più ampia per essere utili.

Il grafene è pubblicizzato per il suo potenziale di resistenza senza precedenti e alta conduttività elettrica e può essere prodotto attraverso approcci ben noti:separare scaglie di grafite, il materiale morbido e argenteo che si trova nelle matite, in strati dello spessore di un atomo, o coltivarlo atomo per atomo su un catalizzatore da un precursore gassoso fino a formare strati ultrasottili.

Il team di ricerca guidato dall'ORNL ha utilizzato quest'ultimo metodo, noto come deposizione chimica da vapore, o CVD, ma con una svolta. In uno studio pubblicato su Materiali della natura , hanno spiegato come il controllo localizzato del processo CVD consente l'evoluzione, o auto-selezionando, crescita in condizioni ottimali, ottenendo un grande, foglio di grafene simile a un cristallo.

"I grandi cristalli singoli sono meccanicamente più robusti e possono avere una maggiore conduttività, Il coautore principale dell'ORNL, Ivan Vlassiouk, ha dichiarato:"Questo perché le debolezze derivanti dalle interconnessioni tra i singoli domini nel grafene policristallino vengono eliminate".

"Il nostro metodo potrebbe essere la chiave non solo per migliorare la produzione su larga scala di grafene a cristallo singolo, ma anche per altri materiali 2D, che è necessario per le loro applicazioni su larga scala, " Ha aggiunto.

Proprio come i tradizionali approcci CVD per produrre grafene, i ricercatori hanno spruzzato una miscela gassosa di molecole precursori di idrocarburi su un metallo, lamina policristallina. Però, controllavano attentamente la deposizione locale delle molecole di idrocarburi, portandoli direttamente al bordo del film di grafene emergente. Mentre il substrato si spostava al di sotto, gli atomi di carbonio si assemblano continuamente come un singolo cristallo di grafene fino a un piede di lunghezza.

"La crescita libera del grafene simile a un cristallo singolo può andare quasi continuamente, come un roll-to-roll e oltre i campioni lunghi un piede qui dimostrati, " ha detto Sergei Smirnov, coautore e professore della New Mexico State University.

Quando gli idrocarburi toccano la lamina calda del catalizzatore, formano gruppi di atomi di carbonio che crescono nel tempo in domini più grandi fino a fondersi per coprire l'intero substrato. Il team ha precedentemente scoperto che a temperature sufficientemente elevate, gli atomi di carbonio del grafene non erano correlati, o specchio, gli atomi del substrato, consentendo una crescita cristallina non epitassiale.

Poiché la concentrazione della miscela di gas influenza fortemente la velocità di crescita del singolo cristallo, fornire il precursore dell'idrocarburo vicino al bordo esistente del singolo cristallo di grafene può promuoverne la crescita in modo più efficace rispetto alla formazione di nuovi cluster.

"In un ambiente così controllato, l'orientamento in più rapida crescita dei cristalli di grafene travolge gli altri e viene "selezionato in modo evolutivo" in un singolo cristallo, anche su un substrato policristallino, senza dover corrispondere all'orientamento del supporto, che di solito accade con la crescita epitassiale standard, " Disse Smirnov.

Hanno scoperto che per garantire una crescita ottimale, era necessario creare un "vento" che aiutasse ad eliminare le formazioni a grappolo. "Era imperativo creare un ambiente in cui la formazione di nuovi cluster prima del fronte di crescita fosse totalmente soppressa, e l'allargamento del solo bordo crescente del grande cristallo di grafene non è stato ostacolato, " disse Vlassiouk. "Allora, e solo allora, nulla ostacola la crescita cristallina "più adatta" quando il substrato è in movimento".

I teorici della squadra, guidato dal professore della Rice University Boris Yakobson, coautore, ha fornito un modello che spiega quali orientamenti dei cristalli possiedono le proprietà uniche che li rendono più adatti nella corsa alla sopravvivenza, e perché la scelta di un vincitore può dipendere dal substrato e dai precursori.

"Se il grafene o qualsiasi materiale 2D raggiungesse mai la scala industriale, questo approccio sarà fondamentale, simile al metodo di Czochralski per il silicio." Ha detto Yakobson. "I produttori possono stare certi che quando un grande, lo strato grezzo di dimensioni wafer viene tagliato per qualsiasi fabbricazione di dispositivi, ogni pezzo risultante sarà un monocristallo di qualità. Questo potenzialmente enorme, ruolo di impatto ci motiva a esplorare i principi teorici per essere il più chiari possibile".

Resta da vedere l'aumento pratico del grafene utilizzando il metodo del team, ma i ricercatori ritengono che il loro metodo di crescita del singolo cristallo di selezione evolutiva potrebbe essere applicato anche a promettenti materiali 2D alternativi come il nitruro di boro, noto anche come "grafene bianco, " e bisolfuro di molibdeno.