Als het gaat om de groei van grafeen, een ultradun, ultra sterk, volledig koolstofmateriaal - het is survival of the fittest, volgens onderzoekers van de Universiteit van Texas in Austin.

Het team gebruikte oppervlaktezuurstof om enkele grafeenkristallen van centimeters op koper te laten groeien. De kristallen waren ongeveer 10, 000 keer zo groot als de grootste kristallen van slechts vier jaar geleden. Zeer grote eenkristallen hebben uitzonderlijke elektrische eigenschappen.

"Het spel dat we spelen is dat we nucleatie (de groei van kleine 'kristalzaadjes') willen laten plaatsvinden, maar we willen ook controleren hoeveel van deze kleine kernen er zijn, en die groter zal worden, " zei Rodney S. Ruoff, professor aan de Cockrell School of Engineering. "Zuurstof bij de juiste oppervlakteconcentratie betekent dat er maar een paar kernen groeien, en winnaars kunnen uitgroeien tot zeer grote kristallen."

Het team, geleid door postdoctoraal fellow Yufeng Hao en Ruoff van de afdeling Werktuigbouwkunde en het Materials Science and Engineering-programma, samen met Luigi Colombo, een materiaalwetenschapper bij Texas Instruments - werkte drie jaar aan de grafeengroeimethode. De krant van het team, "De rol van oppervlaktezuurstof in de groei van groot enkelkristal grafeen op koper, " staat op de cover van de 8 november, 2013, probleem van Wetenschap .

Een van 's werelds sterkste materialen, grafeen is flexibel en heeft een hoge elektrische en thermische geleidbaarheid waardoor het een veelbelovend materiaal is voor flexibele elektronica, zonnepanelen, batterijen en hogesnelheidstransistors. Het inzicht van het team in hoe grafeengroei wordt beïnvloed door verschillende hoeveelheden oppervlaktezuurstof is een belangrijke stap in de richting van verbeterde hoogwaardige grafeenfilms op industriële schaal.

De methode van het team "is een fundamentele doorbraak, wat zal leiden tot de groei van hoogwaardige grafeenfilm met een groot oppervlak, " zei Sanjay Banerjee, die aan het hoofd staat van de South West Academy of Nanoelectronics (SWAN) van de Cockrell School. "Door de grootte van het enkelkristaldomein te vergroten, de elektronische transporteigenschappen zullen drastisch worden verbeterd en leiden tot nieuwe toepassingen in flexibele elektronica."

Grafeen is altijd gegroeid in een polykristallijne vorm, dat is, het is samengesteld uit vele kristallen die zijn samengevoegd met een onregelmatige chemische binding aan de grenzen tussen kristallen ("korrelgrenzen"), zoiets als een patchwork-quilt. Groot eenkristal grafeen is van groot belang omdat de korrelgrenzen in polykristallijn materiaal defecten hebben, en het elimineren van dergelijke defecten zorgt voor een beter materiaal.

Door de concentratie van oppervlaktezuurstof te regelen, de onderzoekers konden de kristalgrootte vergroten van een millimeter tot een centimeter. In plaats van zeshoekige en kleinere kristallen, de toevoeging van de juiste hoeveelheid oppervlaktezuurstof produceerde veel grotere eenkristallen met meervoudig vertakte randen, vergelijkbaar met een sneeuwvlok.

"Op de lange termijn is het misschien mogelijk om enkele kristallen van een meter lengte te bereiken, " zei Ruoff. "Dit is mogelijk geweest met andere materialen, zoals silicium en kwarts. Zelfs een kristalgrootte van een centimeter - als de korrelgrenzen niet te gebrekkig zijn - is buitengewoon belangrijk."

"We kunnen gaan nadenken over het potentiële gebruik van dit materiaal in vliegtuigen en in andere structurele toepassingen - als het uitzonderlijk sterk blijkt te zijn op lengteschalen zoals delen van een vliegtuigvleugel, enzovoort, " hij zei.

Een andere belangrijke bevinding van het team was dat de "dragermobiliteit" van elektronen (hoe snel de elektronen bewegen) in grafeenfilms die zijn gegroeid in aanwezigheid van oppervlaktezuurstof uitzonderlijk hoog is. Dit is belangrijk omdat de snelheid waarmee de ladingsdragers bewegen voor veel elektronische apparaten belangrijk is:hoe hoger de snelheid, hoe sneller het apparaat kan presteren.

Yufeng Hao zegt dat hij denkt dat de kennis die in dit onderzoek is opgedaan nuttig kan zijn voor de industrie.

"De hoge kwaliteit van het met onze methode geteelde grafeen zal waarschijnlijk verder worden ontwikkeld door de industrie, en waardoor apparaten uiteindelijk sneller en efficiënter kunnen zijn, ' zei Ha.

Single-crystal films kunnen ook worden gebruikt voor de evaluatie en ontwikkeling van nieuwe soorten apparaten die een grotere schaal vereisen dan voorheen mogelijk was, voegde Colombo toe.

"Momenteel, er zijn geen andere gerapporteerde technieken die overdraagbare films van hoge kwaliteit kunnen opleveren, " Zei Colombo. "Het materiaal dat we konden kweken zal veel uniformer zijn in zijn eigenschappen dan een polykristallijne film."