Creatie van het meest perfecte grafeen

Een team van onderzoekers onder leiding van directeur Rod Ruoff van het Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) binnen het Institute for Basic Science (IBS), inclusief afgestudeerde studenten van het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), hebben groei en karakterisering bereikt van groot oppervlak, monokristallijn grafeen dat geen rimpels, vouwen of adlagen heeft. Het is misschien wel het meest perfecte grafeen dat tot nu toe is gekweekt en gekarakteriseerd. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Natuur.

Directeur Ruoff zegt: “Deze baanbrekende doorbraak was te danken aan vele factoren, waaronder menselijke vindingrijkheid en het vermogen van de CMCM-onderzoekers om reproduceerbaar grote eenkristal Cu-Ni(111)-folies te maken, waarop het grafeen door chemische dampafzetting (CVD) met behulp van een mengsel van ethyleen met waterstof in een stroom argongas.” Student Meihui Wang, Dr. Ming Huang en Dr. Da Luo voerden samen met Ruoff een reeks experimenten uit van het kweken van enkelkristal en enkellaags grafeen op dergelijke “zelfgemaakte” Cu-Ni(111)-folies onder verschillende temperaturen.

Het team had eerder eenkristal- en adlaagvrije films van grafeen gerapporteerd die met methaan waren gekweekt bij temperaturen van ~1320 Kelvin (K) graden op Cu(111)-folies. Adlayers verwijzen naar kleine “eilanden” van regio’s waar een andere laag grafeen aanwezig is. Deze films bevatten echter altijd lange “plooien” die het gevolg zijn van lange rimpels die zich vormen wanneer het grafeen wordt afgekoeld van de groeitemperatuur tot kamertemperatuur. Dit resulteert in een ongewenste vermindering van de prestaties van grafeen-veldeffecttransistor (GFET) als de “vouw” zich in het actieve gebied van de GFET bevindt. De vouwen bevatten ook “scheuren” die de mechanische sterkte van het grafeen verlagen.

De volgende spannende uitdaging was dus het elimineren van deze plooien.

CMCM-onderzoekers implementeerden eerst een reeks ‘cycling’-experimenten waarbij de temperatuur werd ‘gecycleerd’ onmiddellijk na het groeien van het grafeen bij 1320 K. Deze experimenten toonden aan dat de plooien worden gevormd bij of boven 1.020 K tijdens het koelproces. Nadat het team dit had geleerd, besloot het team grafeen te laten groeien op Cu-Ni(111)-folies bij verschillende temperaturen rond 1020 K, wat leidde tot de ontdekking dat grote oppervlakten, hoogwaardige, vouwvrije en adlaagvrije enkelvoudige kristalgrafeenfilms kunnen worden gekweekt in een temperatuurbereik tussen 1.000 K en 1.030 K. “Deze vouwvrije grafeenfilm vormt zich als een enkel kristal over het gehele groeisubstraat omdat het een enkele oriëntatie over een groot gebied vertoont laagenergetische elektronendiffractie (LEED) patronen”, merkte SEONG Won Kyung op, een senior onderzoeker in CMCM die de LEED-apparatuur in het centrum installeerde. GFET’s werden vervolgens in verschillende richtingen gemodelleerd op dit eenkristal vouwvrije grafeen in verschillende richtingen door UNIIST-afgestudeerde student Yunqing Li Deze GFET’s vertoonden opmerkelijk uniforme prestaties met een gemiddelde elektron- en gatmobiliteit bij kamertemperatuur van 7,0 ± 1,0 × 10³ cm² V^-1 s^-1.

Li zegt: “Zulke opmerkelijk uniforme prestaties zijn mogelijk omdat de vouwvrije grafeenfilm een ​​enkel kristal is met in wezen geen onvolkomenheden.”

Belangrijk is dat het onderzoeksteam met deze methode de productie van grafeen kon ‘opschalen’. Het grafeen werd met succes gekweekt op 5 folies (afmetingen 4 cm x 7 cm) tegelijkertijd in een zelfgebouwde kwartsoven met een diameter van 6 inch. “Onze methode om vouwvrije grafeenfilms te kweken is zeer reproduceerbaar, waarbij elke folie twee identieke stukken hoogwaardige grafeenfilms aan beide zijden van de folie oplevert,” en “Door de elektrochemische borrelende overdrachtsmethode te gebruiken, kan grafeen worden gedelamineerd in ongeveer een minuut en de Cu-Ni(111)-folie kan snel worden klaargemaakt voor de volgende groei-/overdrachtscyclus”, merkt Meihui Wang op. Ming Huang voegt toe: “Toen we het gewichtsverlies van Cu-Ni(111)-folies testten na vijf groeicycli en transfers, was het nettoverlies slechts 0,0001 gram. Dit betekent dat onze groei- en overdrachtsmethoden met behulp van de Cu-Ni(111 ) kan herhaaldelijk worden uitgevoerd, in wezen voor onbepaalde tijd.”

Bij het bereiken van vouwvrij monokristallijn grafeen ontdekten de onderzoekers ook de redenen achter de vorming van deze plooien. TEM-beeldvorming met hoge resolutie werd uitgevoerd door student CHOE Myeonggi en prof. LEE Zonghoon (een groepsleider in CMCM en professor aan UNIST) om de dwarsdoorsneden van de monsters te observeren die boven 1.040 K waren gegroeid. Ze ontdekten dat de deadhesie, de oorzaak van de plooien, wordt geïnitieerd bij de “gebundelde staprand”-gebieden tussen de monokristallijne Cu-Ni(111)-plateaus. “Deze deadhesie bij de gebundelde staprandgebieden veroorzaakt de vorming van grafeenplooien loodrecht op de staprandrichting”, merkte de corresponderende auteur Luo op. Ruoff merkt verder op dat “we ontdekten dat stapsgewijs bundelen van een Cu-Ni (111) folie-oppervlak plotseling optreedt bij ongeveer 1030 K, en deze ‘oppervlaktereconstructie’ is de reden waarom de kritische groeitemperatuur van vouwvrij grafeen op ~ 1.030 K of lager.”

Een dergelijke vouwvrije eenkristal-grafeenfilm met groot oppervlak maakt de eenvoudige fabricage mogelijk van geïntegreerde hoogwaardige apparaten die in elke richting over de gehele grafeenfilm zijn georiënteerd. Deze grafeenfilms met één kristal zullen belangrijk zijn voor verdere vooruitgang in de basiswetenschap, wat zal leiden tot nieuwe toepassingen op elektronische, fotonische, mechanische, thermische en andere gebieden. Het bijna perfecte grafeen is ook handig om te stapelen, met zichzelf en/of met andere 2D-materialen, om het scala aan mogelijke toepassingen verder uit te breiden. Aangezien de Cu-Ni(111)-folies herhaaldelijk kunnen worden gebruikt en het grafeen in minder dan een minuut op andere substraten kan worden overgebracht, is de schaalbare productie met behulp van dit proces ook veelbelovend.