Grafeen is het spul van de toekomst. Voor jaren, onderzoekers en technologen voorspellen het nut van de één-atoom-dikke platen pure koolstof in alles, van geavanceerde aanraakschermen en halfgeleiders tot duurzame batterijen en zonnecellen van de volgende generatie.

Maar de unieke intrinsieke eigenschappen van grafeen - superieure elektrische en thermische geleidbaarheid en opmerkelijke elektronenmobiliteit, om er maar een paar te noemen - kan alleen volledig worden gerealiseerd als het wordt vrijgemaakt van defecten die het honingraatpatroon van de gebonden koolstofatomen verstoren.

Een team onder leiding van materiaalwetenschapper Anirudha Sumant met het Argonne National Laboratory's Center for Nanoscale Materials (CNM) en Materials Science Division van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), samen met medewerkers van de University of California-Riverside, heeft een methode ontwikkeld om grafeen te kweken dat relatief weinig onzuiverheden bevat en minder kost om te maken, in een kortere tijd en bij lagere temperaturen vergeleken met de processen die tegenwoordig algemeen worden gebruikt om grafeen te maken.

Theoretisch werk onder leiding van Argonne-nanowetenschapper Subramanian Sankaranarayanan bij de CNM hielp onderzoekers de processen op moleculair niveau te begrijpen die ten grondslag liggen aan de groei van grafeen.

"Ik had te maken met al deze verschillende technieken voor het kweken van grafeen, en je ziet nooit zo'n uniform, glad oppervlak."

De nieuwe technologie maakt gebruik van ultrananokristallijne diamant (UNCD), een synthetisch type diamant dat de onderzoekers van Argonne hebben gepionierd door jarenlang onderzoek. UNCD dient als fysiek substraat, of oppervlak waarop het grafeen groeit, en de bron voor de koolstofatomen waaruit een snel geproduceerd grafeenblad bestaat.

"Toen ik voor het eerst naar de [scanning-elektronenmicrofoto] keek en dit mooie uniform zag, zeer complete laag, het was geweldig, " zei Diana Berman, de eerste auteur van de studie en voormalig postdoctoraal onderzoeksmedewerker die met Sumant werkte en nu een assistent-professor is aan de Universiteit van Noord-Texas. "Ik had te maken met al deze verschillende technieken voor het kweken van grafeen, en je ziet nooit zo'n uniform, glad oppervlak."

Huidige grafeenfabricageprotocollen introduceren onzuiverheden tijdens het etsproces zelf, waarbij zuur en extra polymeren worden toegevoegd, en wanneer ze worden overgebracht naar een ander substraat voor gebruik in elektronica.

"De onzuiverheden die tijdens dit etsen en de overdrachtsstap worden geïntroduceerd, hebben een negatieve invloed op de elektronische eigenschappen van het grafeen, "Zei Sumant. "Dus je krijgt niet de intrinsieke eigenschappen van het grafeen als je deze overdracht daadwerkelijk doet."

Het team ontdekte dat de enkellaagse, grafeen met één domein kan lateraal over micron-grote gaten worden gekweekt, waardoor ze volledig vrijstaand zijn (dat wil zeggen, los van de onderliggende ondergrond). Dit maakt het mogelijk om de intrinsieke eigenschappen van grafeen te benutten door apparaten direct boven vrijstaand grafeen te fabriceren.

Het nieuwe proces is ook veel kosteneffectiever dan conventionele methoden op basis van siliciumcarbide als substraat. Sumant zegt dat de 3- tot 4-inch siliciumcarbidewafels die in dit soort groeimethoden worden gebruikt, ongeveer $ 1 kosten, 200, terwijl UNCD-films op siliciumwafels minder dan $ 500 kosten om te maken.

De diamantmethode duurt ook minder dan een minuut om een ​​vel grafeen te laten groeien, waar de conventionele methode de orde van uren inneemt.

De hoge kwaliteit van grafeen werd bevestigd door de UC Riverside co-auteurs Zhong Yan en Alexander Balandin door het fabriceren van top-gate veldeffecttransistoren van dit materiaal en het meten van de elektronenmobiliteit en ladingsdragerconcentratie.

"Het is algemeen bekend dat bepaalde metalen, zoals nikkel en ijzer, diamant oplossen bij verhoogde temperaturen, en hetzelfde proces wordt al vele jaren gebruikt om diamant te polijsten, " zei Sumant. Hij en zijn team gebruikten deze eigenschap om nikkel te gebruiken bij het omzetten van de bovenste laag diamant in amorfe koolstof, maar het was niet duidelijk hoe deze vrijgekomen koolstofatomen onmiddellijk werden omgezet in hoogwaardig grafeen.

Na Sumant's en Berman's eerste doorbraak om grafeen rechtstreeks op UNCD te laten groeien, Sankaranarayanan en zijn postdocs Badri Narayanan en Sanket Deshmukh, computationele materiaalwetenschappers van het CNM gebruikten middelen van de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) om het team te helpen het mechanisme van het groeiproces dat ten grondslag ligt aan dit interessante fenomeen beter te begrijpen met behulp van reactieve moleculaire dynamische simulaties.

Computersimulaties ontwikkeld door Narayanan, Deshmukh en Sankaranarayanan toonden aan dat bepaalde kristallografische oriëntatie van nikkel-111 de kiemvorming sterk bevordert, en daaropvolgende snelle groei van grafeen; dit werd vervolgens experimenteel bevestigd.

Deze grootschalige simulaties lieten ook zien hoe grafeen zich vormt. De nikkelatomen diffunderen in de diamant en vernietigen de kristallijne orde, terwijl koolstofatomen van deze amorfe vaste stof naar het nikkeloppervlak gaan en snel honingraatachtige structuren vormen, wat resulteert in grotendeels defectvrij grafeen.

Het nikkel sijpelde vervolgens door de fijne kristallijne korrels van de UNCD, wegzinken en de noodzaak voor zuur verwijderen om overtollige metaalatomen van het bovenoppervlak op te lossen.

"Het is alsof je op een onbekende plek een barmhartige Samaritaan ontmoet die je helpt, doet zijn werk en vertrekt stilletjes zonder een spoor achter te laten, ' zei Sumant.

"De bewezen voorspellende kracht van onze simulaties plaatst ons in een gunstige positie om snelle ontdekking van nieuwe katalytische legeringen mogelijk te maken die de groei van hoogwaardig grafeen op diëlektrica bemiddelen en op eigen kracht weggaan wanneer de groei is voltooid, ", voegde Narayanan eraan toe.

Naast het nut bij het maken van minimaal defecte, toepassingsklaar grafeen voor zaken als laagfrequente trillingssensoren, radiofrequentietransistors en betere elektroden voor waterzuivering, Berman en Sumant zeggen dat het Argonne-team al drie patenten heeft verkregen die voortkomen uit hun nieuwe grafeengroeimethode.

De onderzoekers zijn al een samenwerking aangegaan met het Swedish Institute of Space Physics waarbij het European Space Agency is betrokken voor hun Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) -programma om met grafeen gecoate sondes te ontwikkelen die verkenningsvoertuigen kunnen helpen de eigenschappen van plasma rond de manen van Jupiter te voelen.

Dichter bij huis, het team heeft ook diamant- en grafeennaalden gemaakt voor onderzoekers van de North Carolina University om te gebruiken in biosensing-toepassingen.

De Argonne-onderzoekers zijn nu bezig met het verfijnen van het proces - het aanpassen van de temperatuur die wordt gebruikt om de reactie te katalyseren en het aanpassen van de dikte van het diamantsubstraat en de samenstelling van de metaalfilm die de grafeengroei vergemakkelijkt - om zowel de reactie te optimaliseren als om de natuurkunde op de grafeen-diamant-interface.

"We proberen dit nauwkeuriger af te stemmen om beter te begrijpen welke omstandigheden leiden tot welke kwaliteit grafeen we zien, ' zei Berman.

Andere Argonne-auteurs die bij het onderzoek betrokken waren, waren Alexander Zinovev en Daniel Rosenmann. De krant, "Met metaal geïnduceerde snelle transformatie van diamant in enkel- en meerlaags grafeen op waferschaal, " is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .