Un'immagine SEM su larga scala (~2,5 mm x 1,6 mm) di un film di grafene a cristallo singolo privo di adlayer su un foglio di Cu(111). Credito:Istituto nazionale di scienza e tecnologia di Ulsan (UNIST)
Un team internazionale di ricercatori, guidato dal Distinguished Professor Rodney S. Ruoff (Scuola di Scienze Naturali) del Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM), all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS) presso l'UNIST, ha riportato uno strato veramente unico (cioè, adlayer-free) pellicola di grafene di ampia area su lamine di rame di ampia area. Questo potrebbe sembrare l'ultimo di una serie di dichiarazioni apparentemente simili sul grafene a strato singolo. Però, questo risultato differisce da altre migliaia di pubblicazioni precedenti in quanto nessuna di esse aveva descritto un vero grafene a strato singolo su una vasta area. Gli adlayer (regioni a doppio strato o multistrato) sono sempre stati presenti in tali film.
Gli scienziati hanno perfezionato il metodo di crescita della deposizione chimica da vapore (CVD) eliminando tutte le impurità di carbonio all'interno delle lamine di rame su cui viene coltivato il grafene. La CVD su fogli di metallo (in particolare fogli di rame) è attualmente il percorso più promettente per la sintesi scalabile e riproducibile di film di grafene di alta qualità su grandi aree. Il team ha studiato il motivo per cui gli "adlayer" sono comparsi nel film di grafene cresciuto su fogli di rame e ha scoperto che le impurità di carbonio all'interno del foglio portano direttamente alla nucleazione e alla crescita degli adlayer. (Gli adlayer sono regioni del film in cui sono presenti 2 o 3 strati:"patch" multistrato, " questo è.)
"Abbiamo scoperto che le lamine di rame commerciali hanno "eccesso di carbonio" particolarmente vicino alla superficie, a una profondità di circa 300 nm, utilizzando la spettrometria di massa degli ioni secondari a tempo di volo e l'analisi della combustione. Da una discussione con un esperto tecnico della Jiangxi Copper Corporation Limited, uno dei maggiori fornitori al mondo di fogli di rame, abbiamo appreso che il carbonio è incorporato nella lamina di rame durante la fabbricazione, probabilmente da olio(i) a base di idrocarburi utilizzati per lubrificare i rulli con cui la lamina di rame viene a contatto alle alte temperature di laminazione, " ha detto il dottor Da Luo, primo autore dell'articolo. Dopo aver rimosso completamente questo carbonio mediante ricottura in H2 a 1060 °C, sono stati in grado di ottenere un film di grafene privo di adlayer e quindi veramente a strato singolo.
(A) Immagine SEM di un film di grafene a cristallo singolo privo di adlayer con pieghe lunghe parallele su un foglio di Cu (111). (B) Un'immagine STM ad altissima risoluzione ad alta risoluzione del reticolo a nido d'ape del film di grafene a cristallo singolo. (C) Illustrazione schematica per la fabbricazione diretta di transistor ad effetto di campo ad alte prestazioni nella regione compresa tra due pieghe adiacenti nel film di grafene a cristallo singolo. (D) mobilità del vettore misurata da transistor ad effetto di campo modellati con vari tipi di campioni di grafene; la pellicola di grafene a cristallo singolo senza adlayer mostra le migliori prestazioni. Credito:Istituto nazionale di scienza e tecnologia di Ulsan (UNIST)
Applicando lo stesso metodo, gli scienziati dell'IBS hanno anche ottenuto un film di grafene a singolo strato ea cristallo singolo privo di adlayer su un foglio di Cu a cristallo singolo. Uno dei primi autori Meihui Wang ha spiegato, "Abbiamo quindi risolto due problemi che erano presenti in modo persistente nelle precedenti sintesi di film di grafene CVD (adlayer e bordi di grano (GB)) contemporaneamente". Infatti, ottenere una perfetta uniformità nel numero di strati su una superficie ampia (strato singolo o doppio, ad esempio) può essere utilizzato per garantire prestazioni costanti del dispositivo. Le regioni di Adlayer differiscono in, per esempio., densità e dimensione quando presenti nelle regioni attive dei dispositivi. Oltre agli adlayer, I GB sono presenti nei film di grafene policristallino preparati da CVD dove isole di grafene con diversi orientamenti cristallografici si uniscono per completare il film. La presenza di GB riduce la mobilità del vettore e la conduttività termica, e riduce la resistenza meccanica.
Ancora, gli scienziati sono rimasti con una caratteristica affascinante nei loro film a cristallo singolo:questo grafene a cristallo singolo contiene "pieghe" parallele altamente orientate che sono lunghe centimetri, circa un centinaio di nanometri di larghezza, e separati da 20 a 50 micrometri. Proprio come gli adlayer e i GB, è stato osservato che le pieghe riducono significativamente la mobilità del portatore del grafene. Per eliminare tali effetti di dispersione degli adlayer, GB e pieghe, il team ha modellato transistor ad effetto di campo nella regione compresa tra due pieghe adiacenti e con i transistor paralleli alle pieghe. A differenza delle pieghe distribuite quasi casualmente nel film di grafene policristallino, le pieghe sono altamente allineate nella pellicola di grafene a cristallo singolo di ampia area. Ciò semplifica la fabbricazione di dispositivi integrati ad alte prestazioni dalle regioni tra le pieghe. Wang ha spiegato, "La regione tra due pieghe adiacenti è 'pulita' senza pieghe, adlayer, o GB. Ciò ha permesso al dispositivo di avere una mobilità di elettroni e lacune molto elevata. I transistor ad effetto di campo mostrano valori di mobilità dei portatori a temperatura ambiente molto elevati di circa 1,0 x 10 4 cm 2 V -1 S -1 . Tale elevata mobilità del vettore "si traduce" in vari dispositivi utili con prestazioni elevate".
(a-b) (pannello di sinistra) Immagini SEM di film di grafene a cristallo singolo privi di adlayer su fogli di Cu(111) e (pannello di destra) immagini ottiche dei film dopo il trasferimento su wafer di SiO2/Si da 300 nm. (c-d) (pannello di sinistra) Immagini SEM di film di grafene policristallino con adlayer su fogli di Cu policristallino e (pannello di destra) immagini ottiche dei film dopo il trasferimento su wafer di SiO2/Si da 300 nm. I parametri CVD per il flusso e la pressione del gas erano i seguenti:(a, c) H2/CH4 (200 sccm /1 sccm) a 2.0 Torr; (B, d) H2/CH4 (30 sccm / 30 sccm 0,1% CH4 in Ar) a 30,0 Torr. Le frecce nere indicano le pieghe. Credito:Istituto nazionale di scienza e tecnologia di Ulsan (UNIST)
Il direttore Ruoff ha osservato, "Il nostro approccio verso il grafene monocristallo privo di adlayer su un'ampia area è un passo avanti. Questa uniforme, strato unico 'perfetto', si prevede che il grafene a cristallo singolo venga utilizzato come materiale di supporto ultrasottile per l'imaging di microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione, e nei dispositivi ottici. Anche come grafene appropriato per ottenere una funzionalizzazione estremamente uniforme che porta a molte altre applicazioni, in particolare per sensori di vario tipo. Vorrei anche sottolineare che abbiamo molto apprezzato i forti contributi dei coautori dell'UNIST, di HKUST, e da SKKU." Questa ricerca è stata supportata dall'Institute for Basic Science, ed è stato pubblicato sulla rivista, Materiale avanzato.
