Een recente kwantummechanische studie van grafeen door een onderzoeksteam van het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), Zuid-Korea, heeft het intercalatiemechanisme en routes voor grafeenontkoppeling van het kopersubstraat opgehelderd.

De grafeenfilms, geteeld op de koperen (Cu) substraten moeten schoon worden losgemaakt zonder residu achter te laten, omdat resterende metallische onzuiverheden de elektronische en elektrochemische eigenschappen van grafeen aanzienlijk kunnen veranderen.

Echter, dankzij recente ontwikkelingen in de grafeenoverdrachtsmethode, de elektrochemische corrosie van grafeencoatings op Cu heeft ervoor gezorgd dat het monolaag-dikke materiaal mechanisch kan worden gedelamineerd zonder de structurele integriteit ervan aanzienlijk in gevaar te brengen.

Het nieuwe grafeenonderzoek van UNIST slaat een nieuwe weg in door grafeen met succes te scheiden van zijn metalen groeisubstraten zonder de hulp van plakband. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het augustusnummer van de Tijdschrift van de American Chemical Society ( JACS ).

In de studie, onder leiding van Prof. Sang Kyu Kwak (School of Energy and Chemical Engineering) en Prof. Rodney Ruoff (Center for Multidimensional Carbon Materials), het onderzoeksteam onthulde de oxidatiechemie van het oppervlak van het met nanoribbon bedekte Cu(111)-oppervlak.

specifiek, ze hebben aangetoond dat het randtype van grafeen nanoribbon (GNR) de initiële oxidatiestadia van het Cu-oppervlak beïnvloedt, waardoor de nanoribbon-ontkoppeling wordt aangedreven door de intercalatie van omringende adsorbaatmoleculen (bijvoorbeeld zuurstof en water).

Het verschil tussen de fauteuil GNR en zigzag GNR op het Cu(111) substraat, onderscheidt zich door de aanwezigheid van een randtoestand in de zigzag GNR-randen, die is toegeschreven aan de hybridisatie tussen de out-of-plane koolstof π-orbitalen en de metalen d-orbitalen. Deze rand staat, echter, is afwezig in de fauteuil GNR edge atomen. Een dergelijke waarneming is niet gerapporteerd voor H-getermineerde GNR op Cu(111).

Berekeningen in de vibratie-rekmodus toonden aan dat de GNR-randen de moleculaire adsorptie van zuurstof op de kale en GNR/Cu-plaatsen beïnvloedden, bevestiging van de rol van GNR-randen bij het verzwakken van de pre-langwerpige OO-binding aan de GNR/Cu-interface. Het onderzoeksteam legde ook uit dat de GNR-randen de stabilisatie van watermoleculen faciliteerden (ongeacht de oppervlakte-oxygenatie), die anders onstabiel zou zijn op het kale Cu-oppervlak.

Dr. Kester Wong, die het onderzoek volledig voor zijn rekening neemt, merkt op dat "GNR-gemedieerde interacties tussen water en de chemisch gesorbeerde zuurstofradicalen verder licht kunnen werpen bij het ophelderen van de rol van water en zuurstof in de vorming van oxide aan het oppervlak."

"Deze specifieke studie kan interessante implicaties hebben voor de ontwikkeling van regioselectieve op grafeen gebaseerde katalyse. Desalniettemin, het gebruik van andere kristalfacetten voor de grensvlakstudie van laagdimensionale materialen is van groot belang, en verschillende onderzoeken worden zwaar uitgevoerd door onze groep op dit gebied", zegt prof. Kwak.