Onderzoekers van Skoltech, MIPT, het RAS Institute of Solid State Physics, Aalto University en elders hebben de eerste grafeensynthesetechniek voorgesteld die koolmonoxide als koolstofbron gebruikt. Het is een snelle en goedkope manier om grafeen van hoge kwaliteit te produceren met relatief eenvoudige apparatuur voor gebruik in elektronische circuits, gassensoren, optica en meer. De studie verscheen in het tijdschrift Advanced Science .

Chemische dampafzetting is de standaardtechnologie voor het synthetiseren van grafeen, de één-atoom-dikke laag koolstofatomen in een honingraatopstelling met ongeëvenaarde eigenschappen die nuttig zijn voor elektronische toepassingen en meer. Bij CVD zijn meestal koolstofatomen betrokken die gasmoleculen afbreken en als monolaag in een vacuümkamer op een substraat neerslaan. Een populair substraat is koper en de gebruikte gassen zijn altijd koolwaterstoffen:methaan, propaan, acetyleen, sterke drank, enz.

“Het idee om grafeen te synthetiseren uit koolmonoxide is lang geleden ontstaan, aangezien dat gas een van de meest geschikte koolstofbronnen is voor de groei van enkelwandige koolstofnanobuisjes. We hebben al bijna 20 jaar werkervaring met koolmonoxide. , onze eerste experimenten met grafeen waren niet succesvol en het kostte ons veel tijd om te begrijpen hoe we de kiemvorming en groei van grafeen konden beheersen. De schoonheid van koolmonoxide zit in zijn uitsluitend katalytische ontbinding, waardoor we zelfbeperkende synthese van grote kristallen van enkellaags grafeen, zelfs bij omgevingsdruk", zegt hoofdonderzoeker van het onderzoek, Skoltech-professor Albert Nasibulin.

"Dit project is een van de briljante voorbeelden van hoe fundamentele studies toegepaste technologieën ten goede komen. De geoptimaliseerde omstandigheden die leidden tot de vorming van grote grafeenkristallen werden haalbaar dankzij een goed begrip van het diepe kinetische mechanisme voor grafeenvorming en groei, geverifieerd door zowel theorie als experiment ”, benadrukt een co-auteur van het artikel, Senior Research Scientist Dmitry Krasnikov van Skoltech.

De nieuwe methode profiteert van het principe van de zogenaamde self-limiting. Bij hoge temperaturen hebben koolmonoxidemoleculen de neiging om uiteen te vallen in koolstof- en zuurstofatomen wanneer ze in de buurt van het kopersubstraat komen. Maar zodra de eerste laag kristallijne koolstof is afgezet en het gas van het substraat scheidt, neemt deze neiging af, dus het proces bevordert natuurlijk de vorming van een monolaag. Op methaan gebaseerde CVD kan ook op een zelfbeperkende manier werken, maar in mindere mate.

"Het systeem dat we gebruikten heeft een aantal voordelen:het resulterende grafeen is zuiverder, groeit sneller en vormt betere kristallen. Bovendien voorkomt deze aanpassing ongelukken met waterstof en andere explosieve gassen door ze helemaal uit het proces te verwijderen", zegt de eerste studie van het onderzoek. auteur, Skoltech stagiair Artem Grebenko.

Doordat de methode verbrandingsrisico's uitsluit, is er geen vacuüm nodig. Het apparaat werkt op standaarddruk, waardoor het veel eenvoudiger is dan conventionele CVD-apparatuur. Het vereenvoudigde ontwerp leidt op zijn beurt tot een snellere synthese. "Het duurt maar 30 minuten om een ​​kaal stuk koper te nemen om het grafeen eruit te trekken", zegt Grebenko.

Doordat er geen vacuüm meer nodig is, werkt de apparatuur niet alleen sneller, maar ook goedkoper. "Als je eenmaal de high-end hardware voor het genereren van ultrahoog vacuüm laat vallen, kun je onze 'garage-oplossing' daadwerkelijk samenstellen voor niet meer dan $ 1.000", benadrukt de onderzoeker.

Studie co-auteur Boris Gorshunov, een professor aan het MIPT, benadrukt de hoge kwaliteit van het resulterende materiaal:"Telkens wanneer een nieuwe grafeensynthesetechniek wordt gepresenteerd, is het absoluut noodzakelijk dat de onderzoekers bewijzen dat het produceert wat ze beweren dat het doet. Na rigoureuze tests , kunnen we met vertrouwen zeggen dat het onze inderdaad hoogwaardig grafeen is dat kan concurreren met het materiaal dat via CVD uit andere gassen wordt geproduceerd. Het resulterende materiaal is kristallijn, puur en wordt geleverd in stukken die groot genoeg zijn om in de elektronica te worden gebruikt. "

Naast de standaard toepassingen van grafeen als zodanig, zijn er intrigerende mogelijkheden om grafeen te gebruiken dat gebonden is aan het kopersubstraat - zonder het metaal op te ruimen. Vergeleken met methaan heeft koolmonoxide een zeer hoge hechtingsenergie aan metaal. Dit betekent dat, wanneer afzetting plaatsvindt, grafeen zowel de koperlaag beschermt tegen chemische reacties als het structuur geeft, waardoor een hoogontwikkeld metalen oppervlak ontstaat met geweldige katalytische eigenschappen. Sommige andere metalen, zoals ruthenium en palladium, zouden in deze context ook werken om nieuwe materialen met ongebruikelijke oppervlakken mogelijk te maken. + Verder verkennen

Blussen door laser verhoogt de grafeenkwaliteit