Il grafene è stato definito “il materiale meraviglioso del 21° secolo”. Dalla sua scoperta nel 2004, il materiale, un singolo strato di atomi di carbonio, è stato pubblicizzato per la sua serie di proprietà uniche, che includono una conduttività elettrica ultraelevata e una notevole resistenza alla trazione. Ha il potenziale per trasformare l’elettronica, lo stoccaggio dell’energia, i sensori, i dispositivi biomedici e altro ancora. Ma il grafene ha un piccolo sporco segreto:è sporco.
Ora, gli ingegneri della Columbia University e i colleghi dell’Università di Montreal e del National Institute of Standards and Technology sono pronti a fare pulizia con un metodo di deposizione chimica in fase vapore privo di ossigeno (OF-CVD) in grado di creare campioni di grafene di alta qualità a scala.
Il loro lavoro, pubblicato il 29 maggio su Nature, dimostra direttamente come l'ossigeno in tracce influisce sul tasso di crescita del grafene e identifica per la prima volta il legame tra l'ossigeno e la qualità del grafene.
"Abbiamo dimostrato che eliminare praticamente tutto l'ossigeno dal processo di crescita è la chiave per ottenere una sintesi di grafene CVD riproducibile e di alta qualità", ha affermato l'autore senior James Hone, professore di ingegneria meccanica Wang Fong-Jen presso la Columbia Engineering. "Questa è una pietra miliare verso la produzione su larga scala di grafene."
Il grafene è stato storicamente sintetizzato in due modi. Esiste il metodo del "nastro adesivo", in cui i singoli strati vengono staccati da un campione di grafite (lo stesso materiale che troverai nella mina delle matite) utilizzando nastro adesivo domestico.
Tali campioni esfoliati possono essere abbastanza puliti e privi di impurità che altrimenti interferirebbero con le proprietà desiderabili del grafene. Tuttavia, tendono ad essere troppo piccoli (solo poche decine di micrometri di diametro) per applicazioni su scala industriale e, quindi, più adatti alla ricerca di laboratorio.
Per passare dalle esplorazioni di laboratorio alle applicazioni nel mondo reale, circa 15 anni fa i ricercatori hanno sviluppato un metodo per sintetizzare il grafene su grandi aree. Questo processo, noto come crescita CVD, fa passare un gas contenente carbonio, come il metano, su una superficie di rame a una temperatura sufficientemente elevata (circa 1.000°C) da provocare la rottura del metano e la riorganizzazione degli atomi di carbonio per formare un unico nido d'ape. strato sagomato di grafene.
La crescita della CVD può essere ampliata per creare campioni di grafene di dimensioni centimetri o addirittura metri. Tuttavia, nonostante anni di sforzi da parte di gruppi di ricerca di tutto il mondo, i campioni sintetizzati da CVD hanno sofferto di problemi di riproducibilità e qualità variabile.
Il problema era l'ossigeno. In pubblicazioni precedenti, i coautori Richard Martel e Pierre Levesque di Montreal avevano dimostrato che tracce di ossigeno possono rallentare il processo di crescita e persino incidere via il grafene. Quindi, circa sei anni fa, Christopher DiMarco, GSAS'19, ha progettato e costruito un sistema di crescita CVD in cui la quantità di ossigeno introdotta durante il processo di deposizione poteva essere attentamente controllata.
Attuale dottorato di ricerca gli studenti Xingzhou Yan e Jacob Amontree hanno continuato il lavoro di DiMarco e hanno ulteriormente migliorato il sistema di crescita. Hanno scoperto che quando l’ossigeno in tracce veniva eliminato, la crescita delle CVD era molto più rapida e forniva ogni volta gli stessi risultati. Hanno anche studiato la cinetica della crescita del grafene CVD senza ossigeno e hanno scoperto che un modello semplice potrebbe prevedere il tasso di crescita su una gamma di parametri diversi, tra cui la pressione e la temperatura del gas.
La qualità dei campioni coltivati con OF-CVD si è rivelata praticamente identica a quella del grafene esfoliato. In collaborazione con i colleghi del dipartimento di fisica della Columbia, il loro grafene ha mostrato prove sorprendenti dell'effetto Hall quantistico frazionario sotto campi magnetici, un fenomeno quantistico che in precedenza era stato osservato solo in sistemi elettrici bidimensionali di altissima qualità.
Da qui, il team intende sviluppare un metodo per trasferire in modo pulito il grafene di alta qualità dal catalizzatore di crescita del metallo ad altri substrati funzionali come il silicio:il pezzo finale del puzzle per sfruttare appieno questo materiale meraviglioso.
"Entrambi siamo rimasti affascinati dal grafene e dal suo potenziale come studenti universitari", hanno detto Amontree e Yan. "Abbiamo condotto innumerevoli esperimenti e sintetizzato migliaia di campioni negli ultimi quattro anni del nostro dottorato. Vedere questo studio finalmente concretizzarsi è un sogno diventato realtà."
Ulteriori informazioni: Sintesi riproducibile del grafene mediante deposizione di vapore chimico privo di ossigeno, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07454-5. www.nature.com/articles/s41586-024-07454-5
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dalla Columbia University School of Engineering and Applied Science
