I ricercatori hanno utilizzato la crescita per deposizione chimica diretta da vapore (CVD) di grafene di alta qualità su scala di wafer su dielettrici per applicazioni versatili. Tuttavia, il grafene sintetizzato in questo modo ha mostrato un film policristallino con difetti incontrollati, una bassa mobilità del vettore e un'elevata resistenza alla strada; pertanto, i ricercatori mirano a introdurre nuovi metodi per sviluppare il grafene su scala di wafer. In un nuovo rapporto ora pubblicato in Science Advances , Zhaolong Chen e un gruppo di ricerca internazionale in nanochimica, materiali intelligenti e fisica, in Cina, Regno Unito e Singapore, hanno descritto la crescita diretta del grafene monostrato altamente orientato su film di wafer di zaffiro. Hanno raggiunto la strategia di crescita progettando un CVD a induzione elettromagnetica a temperatura elevata. Il film di grafene sviluppato in questo modo ha mostrato una mobilità del supporto notevolmente migliorata e una ridotta resistenza del foglio.

Lo sviluppo e le applicazioni del grafene sui materiali.

Il grafene ha una buona robustezza meccanica, un'elevata mobilità del vettore, una maggiore trasparenza ottica e promette applicazioni ad alta frequenza, nonché elettrodi conduttivi trasparenti. La dispersione lineare degli elettroni Dirac del grafene può anche consentire dispositivi target tra cui fotorilevatori e modulatori ottici. La maggior parte di tali applicazioni si basa sull'uso di grafene a cristallo singolo a scala di wafer senza contaminazione o rotture. Mentre il grafene ad alta mobilità su scala di wafer era stato prontamente prodotto in precedenza, l'uniformità del numero di strati è rimasta insoddisfacente sull'intero wafer. I ricercatori hanno quindi cercato di facilitare la sintesi diretta del grafene su ossido di silicio, nitruro di boro esagonale (hBN) e vetro utilizzando le tecniche di deposizione chimica da vapore convenzionali. In questo lavoro, Chen et al. ha presentato la crescita diretta di film di grafene monostrato continuo e altamente orientato su scala di wafer su zaffiro tramite un metodo di deposizione di vapore chimico basato sul riscaldamento a induzione elettromagnetica. Questo approccio di crescita diretta di pellicole di grafene altamente orientate su wafer di zaffiro ha aperto la strada all'emergente elettronica e fotonica del grafene.

Gli esperimenti:grafene su zaffiro

Durante gli esperimenti, Chen et al. ha utilizzato il riscaldamento a induzione elettromagnetica come fonte di calore del sistema di deposizione di vapore chimico (CVD) per estendere lo spazio dei parametri di crescita durante la crescita del grafene di alta qualità. Il reattore ha consentito un rapido aumento della temperatura fino a 1400 gradi Celsius in 10 minuti. Il processo ha consentito una regolazione precisa sulla fornitura di carbone attivo per la crescita omogenea del grafene monostrato. Per comprendere il ruolo dello zaffiro durante la formazione del grafene, il team ha condotto calcoli della teoria del funzionale della densità (DFT) per rivelare l'orientamento preferito del dominio del grafene sullo zaffiro. Per ottenere ciò, hanno modellato l'adsorbimento di un piccolo cluster di grafene (C₂₄ H₁₂ ) su una lastra di ossido di alluminio. Il modello ha mostrato la possibilità per la crescita di grafene altamente orientato su scala di wafer su zaffiro, dopo un meccanismo di crescita guidato dall'accoppiamento dell'interfaccia. La temperatura elevata durante la crescita ha facilitato una pirolisi sufficiente del metano e l'efficiente migrazione del carbone attivo adsorbito sullo zaffiro per promuovere il tasso di crescita e la qualità del cristallo. Un film continuo di grafene ha coperto il wafer di zaffiro da 2 pollici in 30 minuti con un'elevata trasparenza.

Caratterizzazione del film di grafene sul wafer di zaffiro

Utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM), Chen et al. notato un contrasto omogeneo del grafene monostrato a piena copertura, senza vuoti. Utilizzando gli spettri Raman del grafene prodotto sullo zaffiro, hanno identificato i segnali Raman indicativi di un monostrato di grafene di alta qualità e ne hanno confermato l'uniformità su tutta la scala del wafer. I risultati della microscopia ottica hanno mostrato allo stesso modo un contrasto ottico uniforme senza alcuna contaminazione o strati secondari visibili. Utilizzando la microscopia a forza atomica, hanno quindi identificato ulteriori caratteristiche del grafene monostrato cresciuto con il metodo CVD (deposizione chimica da vapore). Ulteriori analisi con la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) hanno mostrato un'elevata uniformità senza contaminazione. L'impostazione sperimentale ha consentito la crescita del grafene monostrato in assenza di grandi cluster di carbonio nella fase gassosa e la presenza di singoli atomi di carbonio che raggiungono la superficie del grafene per migrare rapidamente verso il bordo del grafene. Per comprendere gli orientamenti del reticolo del monostrato di grafene cresciuto sullo zaffiro, il team ha eseguito la caratterizzazione della diffrazione elettronica a bassa energia e ha rivelato la natura altamente orientata del grafene delle dimensioni di un wafer. Per verificare ulteriormente le informazioni strutturali del materiale, hanno condotto misurazioni di diffrazione elettronica in un'area selezionata e hanno anche notato l'architettura reticolare a nido d'ape del grafene utilizzando immagini TEM risolte atomicamente. La configurazione sperimentale ha consentito ai nuclei di raggiungere l'orientamento più stabile.

Ulteriori esperimenti

Chen et al. successivamente ha condotto la microscopia a tunneling a scansione (STM) per sondare lo stato di cucitura dei domini del grafene. L'immagine STM ha rivelato anche un reticolo a nido d'ape, allineato senza difetti. L'immagine risolta atomicamente ha ulteriormente evidenziato la presenza di una pellicola continua con un piccolo bordo di grana. Il lavoro ha anche confermato la riuscita scalata di gradini in zaffiro causata dalla riduzione termica del carbonio dello zaffiro. Gli stati di densità a forma di V accanto alla caratteristica caratteristica a forma di cono di Dirac del grafene a strato singolo concordano con l'architettura a nido d'ape per ristabilire l'elevata qualità e purezza della pellicola altamente orientata del grafene così cresciuto. Gli scienziati hanno quindi eseguito misurazioni macroscopiche del trasporto di quattro sonde per valutare la conduttività elettrica su larga scala del grafene di alta qualità cresciuto su wafer di zaffiro. Hanno notato una mappa della resistenza del foglio di un wafer di grafene/zaffiro da 2 pollici, con un valore medio di soli 587 ± 40 ohm. Il risultato è stato nettamente superiore rispetto a quelli per il grafene coltivato direttamente su substrati di vetro. Il team ha quindi misurato la mobilità dell'effetto di campo del grafene sullo zaffiro e ne ha registrato la densità del portatore. I valori erano anche nettamente superiori a quelli osservati con il grafene coltivato direttamente su substrati dielettrici e metalli. I risultati sono promettenti nelle applicazioni elettroniche e optoelettroniche.

Prospettiva

In questo modo, Zhaolong Chen e colleghi hanno sviluppato un metodo per la crescita diretta di una pellicola di grafene monostrato su scala di wafer, continua e altamente orientata su zaffiro utilizzando un percorso CVD di riscaldamento a induzione elettromagnetica. Il metodo sintetico ha facilitato un rapido aumento della temperatura fino a 1400 gradi Celsius in 10 minuti per un'efficiente pirolisi della materia prima di carbonio per consentire la rapida migrazione delle specie attive. Questo percorso sintetico efficiente e affidabile di grafene monostrato di alta qualità su wafer di zaffiro era compatibile con i processi dei semiconduttori e in definitiva può promuovere l'elettronica e l'industrializzazione del grafene ad alte prestazioni. + Esplora ulteriormente

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