Esfoliazione a strati LEE di grafene monostrato di dimensioni millimetriche. (A) Illustrazione schematica della nostra tecnica di esfoliazione del grafene ad ampia superficie ingegnerizzata a strati. L'inserto mostra la variazione del numero di strati di grafene esfoliato in base all'energia di legame relativa tra la grafite e un film metallico stressante. (B e C) Immagini OM a basso e alto ingrandimento di grafene monostrato di dimensioni millimetriche ottenute con il metodo LEE. (D ed E) Immagini OM e AFM della superficie di grafite naturale tagliata. L'inserto è una singola traccia dell'immagine AFM che mostra la rugosità del LEE-grafene, dove il valore quadratico medio della radice è circa 3,5 . (F a H) Istogrammi delle dimensioni e della densità del grafene monostrato ottenuti con i metodi di esfoliazione standard e LEE per 25 campioni ciascuno. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc6601
Processi di fabbricazione su larga scala che mirano a produrre materiali bidimensionali (2DM) per applicazioni industriali si basano su una competizione tra qualità e produttività. Il metodo di clivaggio meccanico top-down consente 2DM puri e perfetti, ma sono un'opzione debole per la produzione su larga scala. In un nuovo rapporto in Progressi scientifici , Ji-Yun Moon e un gruppo di ricerca sui sistemi energetici, scienza dei materiali, fisica e nanoarchitettura nel Regno Unito, Giappone e Corea hanno presentato una tecnica di esfoliazione ingegnerizzata a strati per ottenere grafene su larga scala fino a un millimetro con controllo selettivo dello spessore. Utilizzando la spettroscopia dettagliata e l'analisi della misurazione del trasporto degli elettroni, il team ha sostenuto il meccanismo di spalling (frammentazione) proposto. Il metodo di esfoliazione ingegnerizzato a strati aprirà la strada allo sviluppo di un processo industriale per il grafene e altri 2DM, per applicazioni in elettronica e optoelettronica.
Nuovi metodi per ottenere grafene monostrato
Gli scienziati dei materiali hanno prima separato con successo il grafene monostrato dalla grafite tridimensionale (3D) utilizzando l'esfoliazione meccanica dall'alto verso il basso. Il grafene è un materiale unico grazie alla sua composizione fisica e chimica che ha attirato grande attenzione per diverse applicazioni in elettronica, optoelettronica e altri campi. In questo lavoro, Luna et al. ha introdotto una nuova tecnica nota come esfoliazione ingegnerizzata a strati (LEE) per ottenere grafene di grandi dimensioni controllando il numero selettivo di strati di grafene nella configurazione. Per realizzare questo, hanno depositato un sottile film d'oro (Au) sulla grafite pretagliata per staccare selettivamente il monostrato più alto di grafene. Hanno quindi regolato la tenacità interfacciale del grafene depositando diversi film metallici tra cui palladio (Pd), nichel (Ni) e cobalto (Co) per ottenere grafene di grande superficie con un numero controllato di strati. Il grafene esfoliato meccanicamente è limitato dalle sue dimensioni, controllo della resa e dello spessore, che attualmente non è adatto per applicazioni industriali. I ricercatori avevano precedentemente considerato la deposizione di vapore, ma i risultati non furono eccezionali. Se una nuova tecnica può superare i metodi convenzionali di esfoliazione, i ricercatori avranno un aspetto attraente, approccio sintetico alternativo per preparare il grafene.
Controllo della profondità di scheggiatura regolando la tenacità dell'interfaccia. (da A a C) Immagini OM a basso ingrandimento e (da D a F) ad alto ingrandimento di grafene di dimensioni millimetriche ingegnerizzate a strati preparate utilizzando Pd, Ni, e Co, rispettivamente, su substrati SiO2/Si da 300 nm. (G) Profili di linea AFM corrispondenti alle linee tratteggiate bianche in (D) a (F). (H) Spettri Raman di grafene multistrato ingegnerizzato ottenuto utilizzando Pd, Ni, e Co. a.u., unità arbitrarie. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc6601 
Gli scienziati hanno utilizzato la spettroscopia e gli studi sul trasporto degli elettroni per confermare l'assenza di difetti intrinseci o contaminazione chimica nei campioni sviluppati con il metodo LEE. Il metodo di esfoliazione è un approccio promettente per costruire eterostrutture 2-D di grandi dimensioni per la commercializzazione. Durante il processo di esfoliazione delle scaglie di grafite, il team ha piegato la superficie utilizzando un fattore di stress esterno per creare una crepa ai confini del dominio, che si è propagato lungo l'interfaccia metallo-grafene causando un'esfoliazione di ampie aree a causa della tensione residua. Ad esempio, quando il team ha usato un film d'oro (Au) come fattore di stress, l'energia di flessione tra Au-grafene e grafene-grafene ha permesso la separazione di un monostrato senza difetti fisici. Luna et al. ha analizzato quantitativamente la dimensione e la densità del grafene monostrato esfoliato per verificare l'affidabilità della tecnica. I risultati hanno mostrato un'area media che ha raggiunto un 4, Aumento di 200 volte rispetto al grafene esfoliato con metodi convenzionali. Il metodo LEE ha anche mostrato risultati migliori rispetto all'esfoliazione meccanica standard rispetto alla densità del monostrato. Il metodo era riproducibile e quindi affidabile per esfoliare il grafene monostrato in un approccio controllato in laboratorio.
Caratterizzazione del grafene monostrato ottenuto da LEE. (A) Spettri Raman di LEE-grafene sotto eccitazione a 532 nm. (B e C) Γ2D contro ΓG e ω2D contro ωG registrati su tre diversi campioni:preparato da Au-LEE (cerchi rossi), esfoliazione standard (cerchi blu), e incapsulamento hBN (cerchi arancioni). (D) Rugosità superficiale del grafene monostrato ottenuta da LEE e esfoliazione standard scansionata su 9 μm2. I riquadri mostrano le corrispondenti immagini AFM 3D. Scala da marrone a giallo, da 0 a 5nm. (E) Modelli di spettroscopia di fotoemissione a raggi X (XPS) (C 1s) ottenuti da LEE-grafene. RMS, rugosità quadratica media radice. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc6601
Caratterizzazione del grafene LEE
Luna et al. ha condotto misurazioni di spettroscopia Raman su LEE-grafene per supportare il meccanismo di frammentazione proposto, che era sensibile allo spalling (frammentazione) del grafene indotto dallo stress. I risultati hanno specificato come il ceppo di trazione è stato rilasciato durante il processo LEE quando il grafene è stato rimosso per recuperare la proprietà originaria del grafene normalmente esfoliato. Utilizzando ulteriori studi di spettroscopia e microscopia, il team ha confermato la qualità del LEE-grafene. Per esempio, Le misurazioni della microscopia a forza atomica (AFM) non hanno mostrato difetti fisici degni di nota sulla superficie del grafene, come crepe, pieghe o strappi. Di conseguenza, hanno riconosciuto che il film metallico proteggeva efficacemente la superficie del grafene dai residui organici durante il processo LEE.
Caratteristiche di trasporto del LEE-grafene incapsulato con hBN. (A) Resistività longitudinale in funzione della tensione di back-gate a 2 K (il CNP è a 1,5 V). Il riquadro sinistro mostra una micrografia ottica del dispositivo con uno schema di cablaggio per le misurazioni di corrente e tensione. Barra della scala, 5 micron. (B) Dipendenza dalla densità della conduttività longitudinale su una scala logaritmica a 2 K. Il valore di n* estratto dal nostro dispositivo di grafene è ~1010 cm-2. (C) Mobilità degli elettroni in funzione della densità dei portatori a 2 K (linea rossa) e 300 K (linea blu). La mobilità è di circa 20, 000 cm2V−1 s−1 a 300 K. (D) Mappa della resistività longitudinale in funzione del campo magnetico applicato e della densità portante a 2 K. I livelli di Landau ben sviluppati indicano che il dispositivo al grafene è di alta qualità ( le linee tratteggiate nere indicano fattori di riempimento di -1, -2, -4, e −6). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc6601
Proprietà di trasporto degli elettroni in LEE-grafene
Gli scienziati hanno verificato la qualità del grafene LEE, come evidenziato dai risultati della spettroscopia e della microscopia, effettuando misurazioni del trasporto di elettroni sul dispositivo di grafene monostrato. Hanno raggiunto questo obiettivo incapsulando il grafene tra cristalli di nitruro di boro esagonale (hBN) privi di difetti. L'hBN ha fornito una superficie piana e pulita per il grafene e ha protetto il materiale dalla contaminazione dopo l'esfoliazione. Il potenziale valore di fluttuazione del dispositivo al grafene era simile a un dispositivo al grafene adeguatamente esfoliato nel lavoro precedente, dimostrando l'accuratezza del dispositivo sviluppato in questo lavoro. Il team ha calcolato la mobilità degli elettroni (µ) del dispositivo a 300 K, che ha superato la grandezza riportata per un dispositivo al grafene in lavori precedenti, abbinando la mobilità di un dispositivo al grafene sviluppato altrove con il metodo di esfoliazione standard. Il lavoro ha quindi dimostrato che la tecnica LEE non ha degradato la qualità del grafene.
In questo modo, Ji-Yun Moon e colleghi hanno utilizzato e rivisto l'approccio LEE (layer-engineered exfoliation) per ottenere grafene ad alta densità con un'area straordinariamente ampia dalla grafite naturale. Per realizzare questo, hanno usato diverse tecniche di deposizione di metalli per controllare la profondità della frammentazione e produrre grafene ingegnerizzato a strati su larga scala. Il nuovo metodo ha deviato dal metodo standard di esfoliazione, che consentiva un solo processo di pelatura. Gli scienziati hanno ottenuto il grafene di grandi dimensioni dallo stesso fiocco di grafite ripetendo il processo di deposizione e lacerazione del film metallico. Il lavoro ha mostrato come il grafene ingegnerizzato a strati può essere esfoliato su una vasta area, aprendo la strada alla produzione su larga scala per future applicazioni industriali di eterostrutture 2-D.
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