Terug in 2004, de natuurkundige gemeenschap begon net het bestaan ​​van echt tweedimensionaal (2-D) materiaal te erkennen, grafeen. Snel vooruit naar 2019, en wetenschappers onderzoeken een breed scala aan 2D-materialen om meer van hun fundamentele eigenschappen te ontdekken. De razernij achter deze nieuwe 2D-materialen ligt in hun fascinerende eigenschappen:materialen die tot slechts een paar atomen zijn uitgedund, werken heel anders dan 3D-materialen. Elektronen die in de dunste laag ooit zijn verpakt, vertonen onderscheidende kenmerken, behalve dat ze zich in een "los net" bevinden. Ook flexibel zijn, 2D-materialen kunnen onderscheidende elektrische eigenschappen hebben, het openen van nieuwe toepassingen voor technologieën van de volgende generatie, zoals buigbare en draagbare apparaten.

Vervolgens, Wat is het addertje onder het gras? Veel parameters zoals temperatuur, druk, precursortype en stroomsnelheid moeten worden meegenomen in de CVD-synthese van 2D-materialen. Met meerdere reacties betrokken, het is buitengewoon moeilijk om al deze factoren tijdens de reacties te optimaliseren en hun beste combinaties te vinden. Dat gezegd hebbende, 2-D materiaalsynthese is moeilijk te controleren. Wetenschappers hebben geprobeerd de groei van 2D-materialen te versnellen door verschillende substraten te gebruiken, grondstoffen en temperatuur. Nog altijd, slechts een paar soorten 2D-materialen kunnen worden gesynthetiseerd tot grote oppervlakten, hoogwaardige films.

Wetenschappers van het Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM), binnen het Institute for Basic Science (IBS) van het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) en medewerkers hebben aangetoond dat fluor, met de sterkste neiging om elektronen aan te trekken (d.w.z. elektronegativiteit) in alle elementen, kan de chemische reactie versnellen om drie representatieve 2D-materialen te laten groeien; grafeen, h-BN, en WS2. Fluor heeft slechts één elektron nodig om een ​​hoge stabiliteit te bereiken. Ook, met zeven elektronen in de buitenste baan van een atoom, de afstand waarop deze valentie-elektronen zich bevinden is het minimum vergeleken met andere elementen. Dit betekent dat de valentie-elektronen van fluor sterker aan het atoom zijn gebonden dan enig ander atoom, waardoor fluor het meest actieve element in het periodiek systeem is.

In feite, actieve gassen zoals waterstof of zuurstof worden algemeen gebruikt om de groei van grafeen en andere 2D-materialen af ​​te stemmen. "Waarom dan niet het meest actieve element, fluor? Door de hoogste elektronegativiteit kan fluor bindingen vormen met bijna alle atomen in het periodiek systeem, dus verwacht wordt dat het de reactieroutes van veel chemische processen zal veranderen, " zei professor Feng Ding, de corresponderende auteur van deze studie.

Experimenteel, het heeft niet de voorkeur om fluor toe te voegen tijdens de groei van een materiaal, omdat fluor zeer giftig wordt in de reactor. Om het probleem op te lossen, in plaats van rechtstreeks fluorgas te gebruiken, de wetenschappers beperkten de fluortoevoer ruimtelijk, zodat alleen de minimale hoeveelheid fluor wordt verbruikt. Ze plaatsten een metaalfluoridesubstraat (MF ₂ ) onder een Cu-folie met een zeer smalle opening ertussen. Bij een hoge temperatuur, fluorradicalen komen vrij van het fluoride-oppervlak en worden ruimtelijk gevangen in de nauwe opening tussen de Cu-folie en het metaalfluoridesubstraat. Verrassend genoeg, zo'n eenvoudige verandering leidt tot een recordgroeisnelheid van grafeen met 12 mm per minuut. Om dit percentage in perspectief te plaatsen, deze nieuwe aanpak verkort de kweektijd van een 10 cm ² grafeen van 10 minuten met eerdere methoden, nu teruggebracht tot slechts drie minuten.

De introductie van lokaal fluor verandert de methaanontledingsroute volledig. Omdat het fluor dat vrijkomt van het metaalfluoride-oppervlak gemakkelijk reageert met methaangas, er zal voldoende CH . zijn ³ F of CH ² F ² moleculen in de opening tussen Cu en BaF ² substraten. Deze moleculen zouden veel gemakkelijker kunnen ontleden op een Cu-oppervlak dan CH4. Met andere woorden, ze voeden de grafeengroei beter door meer actieve koolstofradicalen te leveren (bijv. CH ³ , CH ² , CH en C).

Verdere experimentele studies toonden aan dat de lokale toevoerstrategie voor fluor de groei van andere 2D-materialen zoals h-BN en WS2 aanzienlijk zou kunnen versnellen. ook. De wetenschappers onderzochten hoe ruimtelijk opgesloten fluor de groei van 2D-materialen kan versnellen. Uit theoretische studies bleek dat fluor, zeer reactief zijn, gemakkelijk interageert met methaanmoleculen. Het bestaan ​​van fluor leidt tot de vorming van CH ³ F of CH ² F ² moleculen. Deze zeer actieve moleculen kunnen dan gemakkelijker worden afgebroken op het oppervlak van de Cu-folie, wat de koolstoftoevoer aanzienlijk versnelt voor snelle grafeengroei.

Hoewel het gedetailleerde mechanisme van fluor dat de groei van h-BN en WS2 stimuleert niet duidelijk is, de auteurs zijn ervan overtuigd dat de aanwezigheid van fluor de reacties van de groei van 2-D-materialen aanzienlijk zou kunnen veranderen. "We stellen ons voor dat deze lokale fluorvoorziening de snelle groei van brede 2D-materialen gemakkelijk zal vergemakkelijken of de groei van nieuwe 2D-materialen mogelijk zal maken, die met andere methoden zeer moeilijk te realiseren is, " zei professor Feng Ding. Naast de fluoride, er zijn veel soorten substraten zoals sulfiden, seleniden, chloriden of bromiden die kunnen worden gebruikt als lokale toevoerbronnen van verschillende actieve materialen, die een breed genoeg platform biedt om de groei van brede 2D-materialen te moduleren.