L'industria elettronica potrebbe apparire molto diversa oggi se non fosse per il drastico calo dei costi dei wafer di silicio monocristallino di alta qualità negli ultimi cinquant'anni. Quindi cosa accadrebbe se il costo del grafene monocristallino subisse un calo altrettanto significativo? Risultati riportati in ACS Nano può portare questo più vicino alla realtà, poiché mostrano che il grafene monocristallino può crescere in una frazione del tempo normale e utilizzando substrati policristallini molto più economici di quelli normalmente necessari.

I costi di produzione del grafene sono già diminuiti notevolmente negli ultimi 20 anni da centinaia di migliaia di dollari per chilogrammo a meno di 50 dollari. Però, lo sfruttamento delle proprietà elettroniche del materiale pone requisiti molto più elevati sulla qualità del cristallo:bordi del grano, difetti e dislocazioni interrompono il comportamento elettronico del materiale, in modo che il cartellino del prezzo per il grafene di qualità elettronica rimanga elevato.

La deposizione chimica da vapore è tra gli approcci più popolari per coltivare grafene di buona qualità, ma i difetti sono inevitabili. Armeggiare con i parametri durante la crescita in modo che non si formino ulteriori siti di nucleazione in grado di favorire la crescita del grafene cristallino singolo, infine. Però, il lungo periodo di tempo che richiede questa crescita la rende costosa. Altri approcci includono la crescita su un substrato catalitico monocristallino, ma questi substrati sono più costosi, di nuovo aumentando il costo.

Anziché, Dongmok Whang dell'Advanced Institute of Nanotechnology della Sungkyunkwan University e Jae-Hyun Lee dell'Ajou University e i loro colleghi hanno preso del grafene a cristallo singolo e ne hanno trasferito pezzi distanziati su un substrato policristallino. Mostrano nel loro rapporto che successivamente la crescita dei pezzi sui metalli policristallini consente loro di unirsi. Poiché sono stati tutti trasferiti dallo stesso campione, il reticolo cristallino di ogni pezzo è orientato nella stessa direzione, senza lasciare confini di grano. "Se la temperatura di sintesi, gas utilizzato, ecc. si presume che siano simili, si può dire che il budget termico e il prezzo del substrato si riducano a un quarto, " spiega Lee.

Crescita senza soluzione di continuità

Lee spiega che hanno avuto l'idea dopo che un'indagine preliminare sulla letteratura ha evidenziato che l'energia richiesta per far crescere il grafene dal bordo del seme di grafene è teoricamente inferiore all'energia richiesta per la nucleazione di nuovi semi di grafene. "In altre parole, si pensava che la nucleazione aggiuntiva potesse essere facilmente soppressa in condizioni di energia inferiore (ad es. bassa concentrazione di precursore o bassa temperatura di crescita)."

Anche Whang, Lee e colleghi hanno avuto un vantaggio nel far funzionare il processo. Il loro processo di crescita seminato dipende dall'accesso al grafene monostrato monocristallino di ampia superficie, che erano molto esperti nella coltivazione. Inoltre, avevano bisogno di una tecnica in grado di trasferire in modo pulito i semi allineati in posizioni accuratamente distanziate e allineate sul substrato policristallino. Fortunatamente, avevano anche dimostrato in precedenza che quando si coltivava il grafene su un particolare aspetto del germanio monocristallino - Ge(110) - uno strato di idrogeno formato all'interfaccia tra il grafene e il substrato, rendendo più facile il trasferimento.

Anche con trasferimento da Ge(110), i difetti si insinuano inevitabilmente, ma i ricercatori hanno anche potuto dimostrare che riducendo il metano per un periodo durante la crescita, il tasso di incisione potrebbe superare il tasso di crescita in modo che i difetti esistenti possano essere eliminati.

Grafene elettronico

Per determinare quali dimensioni e spaziatura dei semi funzionerebbero meglio, Whang e Lee e colleghi hanno calcolato la lunghezza di diffusione per le temperature e le concentrazioni di precursori utilizzate. Hanno tagliato "semi" larghi 10 μm dal loro campione originale di grafene monocristallino e li hanno trasferiti su platino policristallino distanziati di 50 μm. Qui, hanno coltivato grafene monocristallino per coprire un'area di 2 cm x 2 cm." Era difficile raggiungere dimensioni maggiori a causa dei limiti del nostro sistema CVD, " dice Lee. "Ma noi crediamo che il nostro approccio possa essere pienamente applicato a grandi substrati di catalizzatori".

Non solo il platino policristallino è molto più economico, ma potrebbero riciclare il substrato senza danneggiare la qualità del grafene monocristallino risultante in modo che funzioni a circa $ 100 dollari per cm ² di substrato invece di $ 2000. Si aspettano che se riescono a far crescere i semi trasferiti su rame policristallino o fogli di alluminio, saranno in grado di ridurre ulteriormente i costi.

I ricercatori hanno testato le proprietà elettroniche del grafene cresciuto da semi trasferiti costruendo dispositivi a transistor ad effetto di campo che si trovavano a cavallo dei siti di due semi trasferiti. I confronti della mobilità degli elettroni non hanno mostrato un apprezzabile calo della mobilità dove i semi trasferiti si sono uniti, dando 11, 811 Vcm ^-1 S ^-1 per la grana sinistra, 10, 844 per la destra e 11, 063 Vcm ^-1 S ^-1 fra loro.

Altri materiali 2-D?

I ricercatori hanno provato l'idea con il grafene perché il suo comportamento di crescita è ben compreso, e in particolare, è costituito da un solo tipo di atomo, carbonio, che semplifica il processo. Vorrebbero applicare l'approccio ai materiali 2-D, ma avrebbe bisogno di esaminare come gestiscono i diversi precursori per materiali 2-D non elementali.

"Ci sono molte variabili da considerare a causa della diversa solubilità e velocità di diffusione di ciascun elemento nel catalizzatore, " dice Lee. "Tuttavia, se usiamo un processo che reagisce in sequenza un precursore e un altro precursore, come un processo di deposizione di strati atomici (ALD), che può semplificare i parametri di processo, potrebbe essere possibile far crescere un singolo monostrato cristallino di vari materiali 2-D".

© 2020 Scienza X Rete