Dankzij de geleidbaarheid, kracht en flexibiliteit, grafeen wordt beschouwd als een van de meest waarschijnlijke vervangers voor silicium en andere materialen. Echter, het heeft nog niet geleid tot industriële toepassingen. Hoogwaardig monokristallijn grafeen kan alleen worden geproduceerd in hoeveelheden van enkele millimeters tot enkele centimeters groot. Onlangs, een team onder leiding van Prof. Feng Ding en Prof. Rodney Ruoff met het Institute for Basic Science (IBS), Prof. Kaihui Liu aan de Universiteit van Peking, en hun medewerkers rapporteerden de synthese van een groot vel monolaag monokristallijn grafeen. Dit resultaat maakt een sprong voorwaarts in de productie van grafeen mogelijk naar een geoptimaliseerde methode voor het fabriceren van een bijna perfecte (> 99,9% uitgelijnd) 5 × 50 cm ² monokristallijn grafeen in slechts 20 minuten. Bovendien, de lage productiekosten, vergelijkbaar met in de handel verkrijgbare polykristallijne grafeenfilms van lagere kwaliteit, bruikbaarheid zou kunnen vergroten. Gedetailleerd in Wetenschapsbulletin , de methode zal naar verwachting verder fundamenteel werk aan grafeen en aanverwante materialen stimuleren, inclusief het grootschalig vouwen van grafeenvellen, vergelijkbaar met papier, origami-achtige of kirigami-achtige vormen creëren die kunnen worden toegepast op toekomstige flexibele circuits.

Eenkristal grafeen is een honingraatvormige monolaag van koolstofatomen, uniform door het materiaal Aan de andere kant, polykristallijn grafeen wordt gevormd door willekeurig georiënteerde grafeeneilanden, die de kwaliteit ervan verminderen. Momenteel, wetenschappers zijn in staat om metersgroot polykristallijn grafeen en kleiner monokristallijn grafeen te kweken, variërend van 0,01 mm ² tot een paar cm ² . De synthese van groot eenkristal grafeen tegen lage kosten is een cruciaal doel van grafeensynthese. In dit onderzoek, grafeen wordt gekweekt op het oppervlak van een 5 × 50 cm ² koperfolie, die werd omgezet in een enkelkristal koperfolie door te verwarmen tot ~ 1, 030°. De temperatuurhelling van warm naar koud verplaatste de zogenaamde korrelgrens verder, het creëren van een perfect eenkristal. In de verwarming en koeling behandeling, koperatomen migreren in het materiaal, regelen in een geordende structuur met minder defecten. "Het geheim om eenkristal grafeen in grote maten te verkrijgen, is om te beginnen met een perfect eenkristal koper als basis. Grote eenkristal koperfolie is niet in de handel verkrijgbaar, dus laboratoria moeten het met hun eigen middelen bouwen, " legt Feng Ding uit, groepsleider bij het Center for Multidimensional Carbon Materials.

Vervolgens, via een andere techniek genaamd chemische dampafzetting, miljoenen parallelle grafeeneilanden worden gevormd op het oppervlak van koperfolie. Naarmate er meer koolstofatomen op de folie worden afgezet, de eilanden groeien totdat ze samensmelten en een bijna perfecte monokristallijne grafeenlaag vormen die het gehele beschikbare oppervlak bedekt.

Om de techniek te optimaliseren, het team moest vier technische uitdagingen overwegen:(i) voorbereiding van monokristallijn koperfolie in een zeer groot gebied, (ii) het verkrijgen van een hoge mate van uitlijning van de grafeeneilanden na hun kiemvorming en groei, (iii) het naadloos naaien van de grafeeneilanden tot een enkel kristal door verdere groei en (iv) de snelle groei van eenkristal grafeen. Hoewel eerdere rapporten een aantal van de bovengenoemde uitdagingen hebben aangepakt, deze studie overwon ze allemaal en maakte de synthese van metersgroot monokristallijn grafeen mogelijk. De mate van de verkeerd uitgelijnde grafeeneilanden is minder dan 0,1 procent, verwaarloosbare gebreken en korrelgrenzen in de producten.

Het huidige resultaat werd alleen beperkt door de grootte van de koperfolie en, in principe, zowel de grootte van de koperfolie als de grafeenfilm kan onbeperkt zijn. In aanvulling, gezien de zeer korte tijd voor grafeensynthese (20 minuten) en de relatief goedkope experimentele opstelling, de prijs van een eenkristal (of bijna eenkristal) grafeen zou dicht bij die van de huidige polykristallijne grafeenfilms kunnen liggen.

"De droom van veel wetenschappers is om silicium te vervangen, "zegt Ding. "Nu, we onderzoeken welk materiaal het beste is om grafeen op te laten groeien, en hoe je koper kunt gebruiken als substraat voor andere interessante 2D-materialen."