Een aanpak waarbij grafeenplaten met één kristal worden geproduceerd op grootschalige elektrisch isolerende dragers, zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van op nanomaterialen gebaseerde apparaten van de volgende generatie, zoals zeer lichte en dunne touchscreens, draagbare elektronica en zonnecellen.

De meeste op grafeen gebaseerde elektronische apparaten hebben isolerende steunen nodig. Toch worden grafeenfilms van hoge kwaliteit die bestemd zijn voor industrieel gebruik typisch gekweekt op een metalen substraat, zoals koperfolie, voordat ze worden overgebracht naar een isolerende drager voor de fabricage van apparaten. Deze overdrachtsstap kan onzuiverheden introduceren die van invloed zijn op hoe goed het apparaat presteert. Pogingen om grafeen op isolerende dragers te laten groeien, hebben niet de vereiste hoogwaardige eenkristallen opgeleverd.

"Als grafeen kan worden gekweekt op een isolerend substraat met een schone interface, kunnen bepaalde apparaten beter functioneren", zegt Ph.D. student Bo Tian, ​​die onder supervisie van Xixiang Zhang de studie leidde. "Dit opent ook de deur naar nieuwe soorten op grafeen gebaseerde nanodevices", legt hij uit.

Zhang, Tian en collega's uit Azië en Europa hebben de chemische dampafzettingsmethode aangepast, die gebaseerd is op de door koper gekatalyseerde ontleding van methaan in koolstofprecursoren, om gladde monolagen van monokristallijn grafeen te genereren op waferschaal eenkristalsubstraten, c-plane genaamd saffier.

De onderzoekers zetten polykristallijne koperfolie om in zijn eenkristal-tegenhanger Cu(111) op het saffieroppervlak en introduceerden actieve koolstofatomen uit de door metaalsubstraat gekatalyseerde ontleding van methaan op de resulterende film. De koolstofatomen diffundeerden door de metaalfilm in de richting van het koper-saffier-interface, dat fungeerde als een sjabloon, en vormden goed georiënteerde grafeeneilanden die, na verschillende groeicycli, samensmolten tot een vel.

Naast zwakke oppervlakte-interacties vertoonden de koperfilm en saffier een vergelijkbare kristalroostersymmetrie als die van grafeen, zegt Tian, ​​wat de hoge kristalliniteit van de grafeenmonolaag verklaart.

De onderzoekers etsen elk grafeen dat zich op de koperfilm had opgehoopt weg met behulp van een waterstof-argonplasma om koolstofdiffusie te vergemakkelijken. Ze dompelden de monsters onder in vloeibare stikstof voordat ze snel werden verwarmd tot 500 graden Celsius, waardoor de koperfilm gemakkelijk af te pellen was terwijl de grafeenmonolaag intact bleef.

Veldeffecttransistors vervaardigd op de monolaag van saffier-gegroeide eenkristal grafeen vertoonden uitstekende prestaties met hogere draaggolfmobiliteiten. De superieure elektronische prestaties van het op saffier gekweekte grafeen zijn het resultaat van de hogere kristalliniteit en minder plooien op het oppervlak, legt Tian uit.

"Ons team probeert nu andere tweedimensionale materialen te kweken op het door de isolator ondersteunde grafeen om gefunctionaliseerde grootschalige heterostructuren te bouwen", zegt Tian. Deze heterostructuren die bij elkaar worden gehouden door van der Waals-interacties zullen naar verwachting nuttig zijn in toekomstige nanodevices. + Verder verkennen

Eenvoudigere grafeenmethode maakt de weg vrij voor een nieuw tijdperk van nano-elektronica