grafeen, de tweedimensionale kristallijne vorm van koolstof, is een potentiële superster voor de elektronica-industrie. Met bizar mobiele elektronen die met bijna de lichtsnelheid door het materiaal kunnen flitsen - 100 keer sneller dan elektronen door silicium kunnen bewegen - zou grafeen kunnen worden gebruikt om supersnelle transistors of computergeheugenchips te maken. De unieke "kippengaas" atomaire structuur van grafeen vertoont ongelooflijke flexibiliteit en mechanische sterkte, evenals ongebruikelijke optische eigenschappen die een aantal veelbelovende deuren zouden kunnen openen in zowel de elektronica- als de fotonica-industrie. Echter, tussen de hindernissen die voorkomen dat grafeen zich bij het pantheon van hightech-sterrenmaterialen voegt, misschien doemt er geen op die groter is dan alleen het leren maken van het spul in hoge kwaliteit en bruikbare hoeveelheden.

"Voordat we de superieure elektronische eigenschappen van grafeen in apparaten volledig kunnen benutten, we moeten eerst een methode ontwikkelen om op grote schaal uniforme enkellaags grafeenfilms te vormen op niet-geleidende substraten, " zegt Yuegang Zhang, een materiaalwetenschapper bij het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Huidige fabricagemethoden op basis van mechanische splitsing of ultrahoogvacuümgloeien, hij zegt, zijn niet geschikt voor productie op commerciële schaal. Grafeenfilms gemaakt via oplossingsgebaseerde afzetting en chemische reductie hebben te lijden gehad van slechte of ongelijke kwaliteit.

Zhang en collega's van Berkeley Lab's Molecular Foundry, een U.S. Department of Energy (DOE) centrum voor nanowetenschap, hebben een belangrijke stap gezet om deze grote hindernis weg te nemen. Ze hebben met succes directe chemische dampafzetting (CVD) gebruikt om enkellaagse films van grafeen op een diëlektrisch substraat te synthetiseren. Zhang en zijn collega's maakten hun grafeenfilms door koolwaterstofprecursoren katalytisch af te breken over dunne koperfilms die vooraf op het diëlektrische substraat waren afgezet. De koperfilms werden vervolgens ontvochtigd (gescheiden in plassen of druppeltjes) en werden verdampt. Het eindproduct was een enkellaags grafeenfilm op een kaal diëlektricum.

"Dit is opwindend nieuws voor elektronische toepassingen omdat chemische dampafzetting een techniek is die al veel wordt gebruikt in de halfgeleiderindustrie. " zegt Zhang. "Ook, we kunnen meer leren over de groei van grafeen op metalen katalysatoroppervlakken door de evolutie van de films na de verdamping van het koper te observeren. Dit zou een belangrijke basis moeten leggen voor verdere controle van het proces en ons in staat stellen om de eigenschappen van deze films op maat te maken of gewenste morfologieën te produceren, zoals grafeen nanoribbons."

Zhang en zijn collega's hebben hun bevindingen gerapporteerd in het tijdschrift Nano-letters in een paper getiteld, "Directe chemische dampafzetting van grafeen op diëlektrische oppervlakken." Andere co-auteurs van dit artikel waren Ariel Ismach, Clara Druzgalski, Samuël Penwell, Maxwell Zheng, Ali Javey en Jeffrey Bokor, allemaal met Berkeley Lab.

In hun studie hebben Zhang en zijn collega's gebruikten elektronenbundelverdamping om koperfilms af te zetten met een dikte van 100 tot 450 nanometer. Koper werd gekozen omdat verwacht werd dat het als metaalkatalysator met een lage koolstofoplosbaarheid een betere controle mogelijk zou maken over het aantal geproduceerde grafeenlagen. Verschillende diëlektrische substraten werden geëvalueerd, waaronder eenkristalkwarts, saffier, gesmolten siliciumoxide en siliciumoxidewafels. CVD van het grafeen werd uitgevoerd bij 1, 000 graden Celsius in duur variërend van 15 minuten tot zeven uur.

"Dit is gedaan om ons in staat te stellen het effect van filmdikte te bestuderen, substraattype en CVD-groeitijd op de grafeenvorming, "zegt Zhang.

Een combinatie van scanning Raman mapping en spectroscopie, plus scanning-elektronen- en atoomkrachtmicroscopie bevestigden de aanwezigheid van continue enkellaags grafeenfilms die metaalvrije gebieden van diëlektrisch substraat bedekken van tientallen vierkante micrometers.

"Verdere verbetering van de controle van het ontvochtigings- en verdampingsproces zou kunnen leiden tot de directe afzetting van grafeen met patronen voor grootschalige fabricage van elektronische apparaten, zegt Zhang. "Deze methode kan ook worden gegeneraliseerd en gebruikt om andere tweedimensionale materialen te deponeren, zoals boornitride."

Zelfs het verschijnen van rimpels in de grafeenfilms die volgden op de lijnen van de ontvochtigende vorm van het koper, zou op de lange termijn gunstig kunnen blijken te zijn. Hoewel eerdere studies hebben aangetoond dat rimpels in een grafeenfilm een ​​negatief effect hebben op elektronische eigenschappen door spanningen te introduceren die de elektronenmobiliteit verminderen, Zhang gelooft dat de rimpels in een voordeel kunnen worden omgezet.

"Als we de vorming van rimpels in onze films kunnen leren beheersen, we zouden in staat moeten zijn om de resulterende spanning te moduleren en daardoor elektronische eigenschappen aan te passen, " zegt hij. "Verdere studie van de rimpelvorming zou ons ook belangrijke nieuwe aanwijzingen kunnen geven voor de vorming van grafeen nanoribbons."