Driedimensionaal (3D) nanoporeus grafeen met geconserveerde 2D Dirac elektronische karakters werd met succes gesynthetiseerd door Dr. Yoshikazu Ito en Prof. Mingwei CHEN van het Advanced Institute for Materials Research (AIMR), Tohoku-universiteit. Het nanoporeuze grafeen is opgebouwd uit een enkellaags grafeenvel dat continu met elkaar verbonden is om een ​​complexe 3D-netwerkstructuur te vormen. Dit vrijstaande nanoporeuze grafeen met een uitstekende kristalliniteit bezit een hoge mobiliteit, veelbelovend voor de toepassingen in elektronische apparaten.

Het nanoporeuze grafeen werd gekweekt door een op nanoporeuze metaal gebaseerde chemische dampafzetting (CVD) -methode zoals weergegeven in figuur 1 (a). De algehele morfologie van het nanoporeuze grafeen in figuur 1 (b) toont een ~ 20 m dik vrijstaand bulkvel. Hoewel het 3D-nanoporeuze grafeen een complexe structuur heeft, het is aangetoond dat het 500 cm2 / Vs is in elektronenmobiliteit en een massaloos Dirac-kegelsysteem. Aangezien de conventionele transistor een elektronenmobiliteit van 200 cm2/Vs vereist, er wordt sterk verwacht dat dit nanoporeuze grafeen een nieuw apparaat zal opleveren dat kan worden vervangen door Si-apparaten.

Dit werk wordt samengewerkt met de onderzoeksteams van Prof. Katsumi Tanigaki en Prof. Takashi Takahashi bij AIMR, Tohoku-universiteit. Deze onderzoeksresultaten verschijnen in nummer 19 van ' Internationale editie van Angewandte Chemie ' als Hot Paper op 2 mei.

Grafeen is een monolaag koolstofmateriaal met lage kosten, hoge chemische/thermische stabiliteit, en ultrahoge sterkte en zal naar verwachting een vervanging zijn van silicium en edele metalen voor elektronenapparaten, batterij materialen, foto-/ionendetectoren en katalysatoren. Hoewel sommige grafeenproducten zoals beeldschermen en elektroden in de handel verkrijgbaar zijn, de toepassingen zijn beperkt door de 2D plaatstructuur. Met andere woorden, de prestatie per gram is uitstekend, maar de prestatie per volume is niet eenvoudig te bereiken. Daarom, er zijn veel inspanningen geleverd om het 2D-materiaal te construeren als een 3D-structuur met behoud van fysische/chemische eigenschappen en hoge volumetrische prestaties. Echter, de gerapporteerde 3D nanoporeuze koolstofmaterialen lijden aan een slechte mobiliteit vanwege de lagere kristalliniteit, die niet kunnen worden gebruikt voor de elektronenapparaten. Om 3D-koolstofmaterialen van halfgeleiderkwaliteit te bereiken, de monolaag grafeenplaat met een hoge kristallijne structuur is vereist in een 3D-structuur. Dus, we hebben een 3D-nanoporeus grafeen ontwikkeld met een behouden hoge mobiliteit en unieke 2D-elektronische eigenschappen van grafeen.

Het nanoporeuze grafeen in figuur 1 werd gesynthetiseerd door de op nanoporeuze metalen gebaseerde CVD-methode. Het nanoporeuze grafeen erft volledig de geometrische structuur van het nanoporeuze nikkelsubstraat na het oplossen van nikkel. De atomaire structuur van het nanoporeuze grafeen werd waargenomen door TEM zoals weergegeven in figuur 2. Het ligament in figuur 2(a) werd geconstrueerd door vlakke oppervlaktedelen (figuur 2(b)) en krommingsdelen (figuur 2(c)) van de grafeen blad. Het is duidelijk dat de zesledige ringen werden waargenomen in het platte deel, terwijl de vijf- en zevenledige ringen werden waargenomen in de gebogen delen vanwege de geometrische vereiste om de krommingsstructuren te creëren.

De fysische eigenschappen van het nanoporeuze grafeen werden onderzocht. Omdat het 2D-grafeen een Dirac-kegelsysteem is (Figuur 3(a)) en een lineaire dispersie vertoont, elektronische toestandsdichtheid (Figuur 3(b)). Het 3D-nanoporeuze grafeen in figuur 2 toont ook een lineaire relatie nabij het Fermi-niveau, wat vergelijkbaar is met het 2D-grafeen. De elektronenmobiliteit van het nanoporeuze grafeen met verschillende poriegroottes werd gemeten. Naarmate de temperatuur stijgt, de elektronenmobiliteit neemt iets af tot 200-400 cm2/Vs. In vergelijking met 2D CVD-grafeen, de elektronenmobiliteit is nog steeds hoog genoeg voor apparaattoepassingen.

Tot slot, het nanoporeuze grafeen behoudt 2D-grafeenfutures. Deze bevindingen worden eerst gerapporteerd voor het onthullen van de fysieke eigenschappen van 3D nanoporeus grafeen.

Het 3D-nanoporeuze grafeen zal naar verwachting een doorbraak betekenen voor het oplossen van een probleem van volumetrische prestaties van 2D-grafeen door overvloedige poreuze structuren te bieden voor een gemakkelijk massatransport en een groot effectief oppervlak. Bovendien, het nanoporeuze grafeen behoudt 2D-grafeen elektronische karakters en zal naar verwachting worden gebruikt voor toepassingen in elektronische apparaten zoals transistors en condensors.