Figura 1. Preparazione e caratterizzazione di lamine Cu/Ni(111). (a) Lo schema della preparazione dei fogli di Cu/Ni(111) mostra che i film di Ni sono elettrodeposti su entrambi i lati di un foglio di Cu(111), che è seguito dal riscaldamento in una camera di deposizione chimica da vapore a 1050 oC per 5-7 ore per ottenere il foglio Cu/Ni(111). Controllando la concentrazione di nichel (Ni), I ricercatori dell'IBS hanno potuto ottenere grafene a doppio e triplo strato con l'ordine di impilamento desiderato e un'ampia area. (b) Una fotografia di un pezzo di foglio di lega Cu/Ni(111) (3 cm × 5 cm di dimensione). (c) Schema radiografico prelevato da diverse regioni dell'intero campione (3 cm × 5 cm). (d) Mappa di diffrazione di retrodiffusione di elettroni che indica l'orientamento uniforme (111) delle lamine di Cu preparate. Credito:Istituto per le scienze di base
Ricercatori del Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS, Corea del Sud) hanno segnalato in Nanotecnologia della natura la fabbricazione e l'uso di substrati in lamina di lega di rame-nichel a cristallo singolo per la crescita di grandi aree, film di grafene a doppio strato di cristallo singolo e tristrato.
La crescita di film di grafene di grandi dimensioni con un numero di strati controllato con precisione e ordini di impilamento può aprire nuove possibilità nell'elettronica e nella fotonica, ma rimane una sfida. Questo studio ha mostrato il primo esempio di sintesi di fogli di grafene a due e tre strati più grandi di un centimetro, con strati impilati in modo specifico, vale a dire impilamento AB e ABA.
"Questo lavoro fornisce materiali per la fabbricazione di dispositivi al grafene con nuove funzioni che non sono ancora state realizzate e potrebbero offrire nuove proprietà fotoniche e optoelettroniche e di altro tipo, " spiega Rodney S. Ruoff, Direttore CCM, Distinguished Professor presso l'Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) e autore principale di questo studio. Il coautore e professore Won Jong Yoo della Sungkyunkwan University osserva che "questo apre la strada allo studio di nuove proprietà di trasporto elettrico del grafene a due e tre strati".
Per esempio, lo stesso gruppo di ricerca IBS e i suoi collaboratori hanno recentemente pubblicato un altro articolo in Nanotecnologia della natura che mostra la conversione del film di grafene a doppio strato impilato AB, cresciuto su fogli di lega di rame/nichel (111) (fogli di Cu/Ni(111)), a un foglio simile a un diamante, noto come diamane. Il coautore Pavel V. Bakharev osserva che:"Meno di un anno fa, abbiamo prodotto monostrato di diamante fluorurato, F-diamane, mediante fluorurazione esattamente dei film di grafene a doppio strato impilati AB descritti in questo nuovo articolo. Ora la possibilità di produrre grafene a doppio strato di dimensioni maggiori porta una rinnovata eccitazione e mostra quanto velocemente si sta sviluppando questo campo".
Figura 2. Misurazione dello spessore dello strato di grafene. (a) spettri Raman del monostrato, Doppio strato impilato AB e grafene tristrato impilato ABA trasferiti su substrati SiO2/Si. L'assenza di picco(i) D (a 1350 cm-1) dimostra l'alta qualità di questi fogli di grafene. (b) Fit Lorentzian dei picchi 2D per monostrato, Film di grafene a doppio strato impilati AB e a tre strati impilati ABA. (c-k) Immagini ottiche e mappe Raman di isole a doppio strato, un film a doppio strato continuo, e un film di grafene a tre strati. L'uniformità delle mappe indica che le isole a doppio strato sono impilate AB e monocristalline. Le regioni monostrato sono verdi, e le regioni multistrato rosse. Aumentando il tempo di crescita si trasformano le isole a doppio strato (c, D, e) in un film di grafene a doppio strato quasi continuo (f, G, h). Credito:Istituto per le scienze di base
La giusta scelta del substrato è fondamentale per la corretta crescita del grafene. I fogli di solo rame limitano la crescita del grafene a doppio strato e favoriscono la crescita uniforme del monostrato. È possibile ottenere fogli di grafene multistrato su film di nichel, ma questi non sono uniformi, e tendono ad avere piccole "toppe" con spessori diversi. Finalmente, le lamine disponibili in commercio che contengono sia nichel che rame non sono ideali. Perciò, I ricercatori dell'IBS hanno preparato fogli di Cu/Ni(111) a cristallo singolo "fatti in casa" con le caratteristiche desiderate, basandosi ulteriormente su una tecnica riportata dal gruppo in Scienza nel 2018. I film di nichel vengono elettrodeposti su fogli di rame (111) in modo che il nichel e il rame si interdiffondano quando riscaldati e producano un nuovo foglio a cristallo singolo che contiene entrambi gli elementi a rapporti regolabili. Ruoff ha suggerito questo metodo e ha supervisionato le valutazioni di Ming Huang delle migliori concentrazioni di nichel per ottenere fogli di grafene uniformi con il numero desiderato di strati.
I ricercatori di IBS hanno coltivato fogli di grafene a due e tre strati su fogli di Cu/Ni(111) mediante deposizione chimica da fase vapore (CVD). Huang ha ottenuto film di grafene a doppio strato impilati AB di diversi centimetri quadrati, coprendo il 95 percento dell'area del substrato, e grafene a tre strati impilati ABA con una copertura dell'area superiore al 60%. Questo rappresenta la prima crescita del grafene a tre strati impilato ABA ad alta copertura su una vasta area e la migliore qualità ottenuta finora per il grafene a doppio strato impilato AB.
Oltre a estese caratterizzazioni spettroscopiche e microscopiche, i ricercatori hanno anche misurato il trasporto elettrico (mobilità del vettore e sintonizzabilità del gap di banda) e la conduttività termica del grafene appena sintetizzato. I film di grafene a doppio strato su scala centimetrica hanno mostrato una buona conduttività termica, fino a ~2300 W/mK (paragonabile ai fiocchi di grafene a doppio strato esfoliato), e prestazioni meccaniche (rigidezza di 478 gigapascal per il modulo di Young, e 3,31 gigapascal per la resistenza alla frattura).
Il team ha quindi studiato il meccanismo di impilamento della crescita e ha scoperto che segue la cosiddetta sequenza della "torta nuziale invertita" poiché gli strati inferiori sono posizionati dopo quello superiore. "Abbiamo dimostrato con tre metodi indipendenti che il secondo strato per il grafene a doppio strato, e il secondo e il terzo strato del foglio a tre strati crescono al di sotto di uno strato superiore continuo. Questi metodi possono essere ulteriormente utilizzati per studiare la struttura e la sequenza di impilamento di altri materiali a film sottile 2-D, " nota Huang.
Ruoff osserva che queste tecniche per sintetizzare e testare film ultrasottili su larga scala potrebbero stimolare l'interesse mondiale per ulteriori sperimentazioni con fogli di lega Cu/Ni a cristallo singolo, e anche nell'esplorare la fabbricazione e l'uso di altre lamine in lega a cristallo singolo.
