(un, b) immagini SEM e (c) immagine di fase AFM delle pieghe del grafene in un film di grafene a cristallo singolo privo di adlayer su un foglio di Cu (111). (d) Schema del meccanismo di formazione delle pieghe del grafene durante il processo di raffreddamento. Credito:Istituto per le scienze di base
Un team di ricercatori guidato dal direttore Rod Ruoff presso il Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS), inclusi studenti laureati presso l'Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), hanno raggiunto la crescita e la caratterizzazione di vaste aree, grafene monocristallino che non ha rughe, pieghe, o adlayer. Potrebbe essere il grafene più perfetto che sia stato coltivato e caratterizzato fino ad oggi. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Natura .
Dice il regista Ruoff, "Questa svolta pionieristica è dovuta a molti fattori che hanno contribuito, compresa l'ingegnosità umana e la capacità dei ricercatori CMCM di realizzare in modo riproducibile fogli di Cu-Ni (111) a cristallo singolo di grandi aree, su cui è stato coltivato il grafene mediante deposizione chimica da vapore (CVD) utilizzando una miscela di etilene con idrogeno in un flusso di gas argon." Studente Meihui Wang, Dott. Ming Huang, e il Dr. Da Luo insieme a Ruoff hanno intrapreso una serie di esperimenti per coltivare grafene monocristallo e monostrato su fogli di Cu-Ni(111) "fatti in casa" a temperature diverse.
Il team aveva precedentemente segnalato pellicole di grafene a cristallo singolo e prive di adlayer che sono state coltivate utilizzando metano a temperature di ~1320 gradi Kelvin (K) su fogli di Cu(111). Gli adlayer si riferiscono a piccole "isole" di regioni che hanno un altro strato di grafene presente. Però, questi film contenevano sempre lunghe "pieghe" che sono la conseguenza di alte rughe che si formano quando il grafene viene raffreddato dalla temperatura di crescita fino alla temperatura ambiente. Ciò si traduce in una riduzione indesiderata delle prestazioni del transistor ad effetto di campo al grafene (GFET) se il "fold" è nella regione attiva del GFET. Le pieghe contengono anche "crepe" che abbassano la resistenza meccanica del grafene.
La prossima sfida entusiasmante è stata quindi eliminare queste pieghe.
(a) Immagine ottica, (b) immagine TEM (microscopio elettronico a trasmissione) a risoluzione atomica, e (c) modello di diffrazione elettronica dell'area selezionata rappresentativo (SAED) di un film di grafene privo di adlayer senza pieghe cresciuto su un foglio di Cu-Ni(111) realizzato dal CMCM. (d) Un sistema di fornace CVD con tubo di quarzo da 6 pollici utilizzato per valutare la produzione scalabile di film di grafene senza pieghe a cristallo singolo su fogli di lega Cu-Ni (111) a cristallo singolo. (e) 5 pezzi di fogli di lega Cu-Ni(111) di 4 cm × 7 cm sono stati appesi su un supporto di quarzo e il grafene è stato coltivato su entrambi i lati di ciascun foglio. (f) Fotografia del film di grafene a cristallo singolo senza pieghe di 4 cm × 7 cm cresciuto nel sistema CVD da 6 pollici mostrato in (e) e quindi trasferito su un wafer di silicio del diametro di 4 pollici. Credito:Istituto per le scienze di base
I ricercatori del CMCM hanno prima implementato una serie di esperimenti di "ciclo" che prevedevano il "ciclaggio" della temperatura subito dopo aver fatto crescere il grafene a 1320 K. Questi esperimenti hanno mostrato che le pieghe si formano a o sopra 1, 020 K durante il processo di raffreddamento. Dopo aver appreso questo, il team ha deciso di coltivare il grafene su fogli di Cu-Ni(111) a diverse temperature intorno a 1, 020 K, che ha portato alla scoperta di quella vasta area, alta qualità, senza pieghe, e i film di grafene a cristallo singolo senza adlayer possono essere coltivati in un intervallo di temperatura compreso tra 1, 000 K e 1, 030 K. "Questo film di grafene senza pieghe si forma come un singolo cristallo sull'intero substrato di crescita perché mostra un unico orientamento su un'ampia area diffrazione elettronica a bassa energia modelli (LEED), " ha osservato SEONG Won Kyung, un ricercatore senior in CMCM che ha installato l'apparecchiatura LEED nel centro. I GFET sono stati quindi modellati su questo grafene a cristallo singolo senza pieghe in una varietà di direzioni dallo studente laureato dell'UNIST Yunqing Li. Questi GFET hanno mostrato prestazioni notevolmente uniformi con mobilità media di elettroni e lacune a temperatura ambiente di 7,0 ± 1,0 × 10 3 cm 2 V -1 S -1 .
Li dice, "Una prestazione così straordinariamente uniforme è possibile perché il film di grafene senza pieghe è un singolo cristallo sostanzialmente privo di imperfezioni".
È importante sottolineare che il team di ricerca è stato in grado di ottenere un "aumento graduale" della produzione di grafene utilizzando questo metodo. Il grafene è stato coltivato con successo su 5 fogli (dimensioni 4 cm x 7 cm) contemporaneamente in una fornace al quarzo costruita in casa da 6 pollici di diametro. "Il nostro metodo per coltivare film di grafene senza pieghe è molto riproducibile, con ogni foglio che produce due pezzi identici di film di grafene di alta qualità su entrambi i lati del foglio, " e "Utilizzando il metodo di trasferimento per bolle elettrochimiche, il grafene può essere delaminato in circa un minuto e il foglio di Cu-Ni(111) può essere rapidamente preparato per il successivo ciclo di crescita/trasferimento, " nota Meihui Wang. Ming Huang aggiunge, "Quando abbiamo testato la perdita di peso dei fogli di Cu-Ni(111) dopo cinque cicli di crescita e trasferimento, la perdita netta è stata di soli 0,0001 grammi. Ciò significa che i nostri metodi di crescita e trasferimento che utilizzano il Cu-Ni(111) possono essere eseguiti ripetutamente, sostanzialmente a tempo indeterminato".
Nel processo di realizzazione del grafene a cristallo singolo senza pieghe, i ricercatori hanno anche scoperto le ragioni alla base della formazione di queste pieghe. L'imaging TEM ad alta risoluzione è stato eseguito dallo studente CHOE Myeonggi e dal Prof. LEE Zonghoon (leader del gruppo in CMCM e professore all'UNIST) per osservare le sezioni trasversali dei campioni cresciuti sopra 1, 040 K. Hanno scoperto che la deadhesion, qual è la causa delle pieghe, viene iniziata nelle regioni "a gradini raggruppati" tra i plateau di Cu-Ni(111) a cristallo singolo. "Questa deadhesion nelle regioni del bordo del gradino a grappolo innesca la formazione di pieghe di grafene perpendicolari alla direzione del bordo del gradino, " ha osservato l'autore corrispondente Luo. Ruoff osserva inoltre che "Abbiamo scoperto che il raggruppamento a gradini di una superficie di lamina di Cu-Ni(111) si verifica improvvisamente a circa 1, 030K, e questa "ricostruzione superficiale" è il motivo per cui la temperatura critica di crescita del grafene senza pieghe è a ~1, 030 K o meno."
Tale pellicola di grafene a cristallo singolo senza pieghe di ampia area consente la fabbricazione diretta di dispositivi integrati ad alte prestazioni orientati in qualsiasi direzione sull'intero film di grafene. Questi film di grafene a cristallo singolo saranno importanti per ulteriori progressi nella scienza di base, che porterà a nuove applicazioni in ambito elettronico, fotonico, meccanico, termico, e altre aree. Il grafene quasi perfetto è utile anche per impilare, con se stesso e/o con altri materiali 2D, per ampliare ulteriormente la gamma di possibili applicazioni. Dato che i fogli di Cu-Ni(111) possono essere utilizzati ripetutamente e che il grafene può essere trasferito ad altri substrati in meno di un minuto, anche la produzione scalabile che utilizza questo processo è molto promettente.
