Nieuwe waarnemingen kunnen de industriële productie van hoogwaardig grafeen verbeteren, het tijdperk van op grafeen gebaseerde consumentenelektronica bespoedigen, dankzij de ingenieurs van de Universiteit van Illinois.

Door gegevens van verschillende beeldvormingstechnieken te combineren, het team ontdekte dat de kwaliteit van grafeen afhangt van de kristalstructuur van het kopersubstraat waarop het groeit. Onder leiding van professoren elektrotechniek en computertechniek Joseph Lyding en Eric Pop, de onderzoekers publiceerden hun bevindingen in het tijdschrift Nano-letters .

"Grafeen is een zeer belangrijk materiaal, Lyding zei. "De toekomst van de elektronica kan ervan afhangen. De kwaliteit van de productie ervan is een van de belangrijkste onopgeloste problemen in nanotechnologie. Dit is een stap in de richting van het oplossen van dat probleem."

Om grote vellen grafeen te produceren, methaangas wordt in een oven geleid die een vel koperfolie bevat. Als het methaan het koper raakt, de koolstof-waterstofbindingen kraken. Waterstof ontsnapt als gas, terwijl de koolstof aan het koperen oppervlak blijft kleven. De koolstofatomen bewegen rond totdat ze elkaar vinden en binden om grafeen te maken. Koper is een aantrekkelijk substraat omdat het relatief goedkoop is en de groei van grafeen in één laag bevordert, wat belangrijk is voor elektronicatoepassingen.

"Het is een zeer kosteneffectieve, eenvoudige manier om grafeen op grote schaal te maken, " zei Joshua Wood, een afgestudeerde student en de hoofdauteur van het papier.

"Echter, dit houdt geen rekening met de subtiliteiten van groeiend grafeen, ", zei hij. "Het begrijpen van deze subtiliteiten is belangrijk voor het maken van hoogwaardige, hoogwaardige elektronica."

Hoewel grafeen dat op koper wordt gekweekt over het algemeen beter is dan grafeen dat op andere substraten wordt gekweekt, het blijft bezaaid met defecten en meerlaagse secties, het uitsluiten van krachtige toepassingen. Onderzoekers hebben gespeculeerd dat de ruwheid van het koperoppervlak de groei van grafeen kan beïnvloeden, maar de Illinois-groep ontdekte dat de kristalstructuur van het koper belangrijker is.

Koperfolies zijn een lappendeken van verschillende kristalstructuren. Terwijl het methaan op het folieoppervlak valt, de vormen van de koperkristallen die het tegenkomt, beïnvloeden hoe goed de koolstofatomen grafeen vormen.

Aan verschillende kristalvormen zijn indexnummers toegekend. Met behulp van verschillende geavanceerde beeldvormingstechnieken, het Illinois-team ontdekte dat koperpleisters met hogere indexnummers de neiging hebben om grafeen van lagere kwaliteit te laten groeien. Ze ontdekten ook dat twee veel voorkomende kristalstructuren, genummerd (100) en (111), de slechtste en de beste groei hebben, respectievelijk. De (100) kristallen hebben een kubusvorm, met grote openingen tussen de atomen. In de tussentijd, (111) heeft een dicht opeengepakte hexagonale structuur.

"In de (100) configuratie is de kans groter dat de koolstofatomen op atomair niveau in de gaten in het koper blijven plakken, en dan stapelen ze verticaal op in plaats van uit te diffunderen en lateraal te groeien, Wood zei. "Het (111) oppervlak is zeshoekig, en grafeen is ook zeshoekig. Het wil niet zeggen dat er een perfecte match is, maar dat er een voorkeursovereenkomst is tussen de oppervlakken."

Onderzoekers worden nu geconfronteerd met een afweging tussen de kosten van al het (111) koper en de waarde van hoogwaardige, defectvrij grafeen. Het is mogelijk om monokristallijn koper te produceren, maar het is moeilijk en onbetaalbaar.

Het U. of I.-team speculeert dat het mogelijk is om de productie van koperfolie te verbeteren, zodat het een hoger percentage (111) kristallen heeft. Grafeen gekweekt op zo'n folie zou niet ideaal zijn, maar kan voor de meeste toepassingen "goed genoeg" zijn.

"De vraag is, hoe optimaliseer je het met behoud van kosteneffectiviteit voor technologische toepassingen?" zei Pop, een co-auteur van het artikel. "Als gemeente we schrijven nog steeds het kookboek voor grafeen. We verfijnen onze technieken voortdurend, nieuwe recepten uitproberen. Zoals met elke technologie in de kinderschoenen, we zijn nog aan het onderzoeken wat werkt en wat niet."

Volgende, de onderzoekers hopen hun methodologie te gebruiken om de groei van andere tweedimensionale materialen te bestuderen, inclusief isolatoren om de prestaties van grafeenapparaten te verbeteren. Ze zijn ook van plan om hun waarnemingen op te volgen door grafeen te laten groeien op monokristallijn koper.

"Er is momenteel veel verwarring in de grafeenbusiness, Lyding zei. "Het feit dat er een duidelijk observationeel verschil is tussen deze verschillende groei-indices helpt het onderzoek te sturen en zal waarschijnlijk leiden tot meer kwantitatieve experimenten en betere modellering. Deze krant stuurt de zaken in die richting."