Een nieuwe methode om grote, monolaag eenkristalachtige grafeenfilms van meer dan een voet lang zijn afhankelijk van het benutten van een "survival of the fittest" -competitie tussen kristallen. De nieuwe techniek, ontwikkeld door een team onder leiding van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, kan nieuwe kansen bieden voor het kweken van de hoogwaardige tweedimensionale materialen die nodig zijn voor langverwachte praktische toepassingen.

Het maken van dunne lagen grafeen en andere 2D-materialen op een schaal die nodig is voor onderzoeksdoeleinden is gebruikelijk, maar ze moeten op veel grotere schaal worden vervaardigd om bruikbaar te zijn.

Grafeen wordt aangeprezen vanwege zijn potentieel van ongekende sterkte en hoge elektrische geleidbaarheid en kan worden gemaakt via bekende benaderingen:het scheiden van grafietvlokken - het zilverachtige zachte materiaal dat in potloden wordt gevonden - in lagen van één atoom dik, of het atoom voor atoom laten groeien op een katalysator uit een gasvormige voorloper totdat ultradunne lagen worden gevormd.

Het door ORNL geleide onderzoeksteam gebruikte de laatste methode, bekend als chemische dampafzetting, of CVD, maar met een twist. In een studie gepubliceerd in Natuurmaterialen , ze legden uit hoe gelokaliseerde controle van het CVD-proces evolutionaire, of zelf kiezen, groei onder optimale omstandigheden, het opleveren van een grote, eenkristalachtige plaat van grafeen.

"Grote eenkristallen zijn mechanisch robuuster en kunnen een hogere geleidbaarheid hebben, " ORNL hoofdcoauteur Ivan Vlassiouk zei. "Dit komt omdat zwakheden die voortvloeien uit onderlinge verbindingen tussen individuele domeinen in polykristallijn grafeen worden geëlimineerd."

"Onze methode kan niet alleen de sleutel zijn tot het verbeteren van de grootschalige productie van grafeen met één kristal, maar ook voor andere 2D-materialen, die nodig zijn voor hun grootschalige toepassingen, " hij voegde toe.

Net zoals traditionele CVD-benaderingen om grafeen te produceren, de onderzoekers sproeiden een gasvormig mengsel van koolwaterstofprecursormoleculen op een metalen, polykristallijne folie. Echter, ze controleerden zorgvuldig de lokale afzetting van de koolwaterstofmoleculen, waardoor ze rechtstreeks naar de rand van de opkomende grafeenfilm worden gebracht. Terwijl het substraat eronder bewoog, de koolstofatomen verzamelden zich continu als een enkel kristal van grafeen tot een lengte van 30 cm.

"De onbezwaarde eenkristalachtige grafeengroei kan bijna continu doorgaan, als een roll-to-roll en verder dan de hier getoonde voetlange monsters, " zei Sergei Smirnov, co-auteur en professor aan de New Mexico State University.

Terwijl de koolwaterstoffen de hete katalysatorfolie raken, ze vormen clusters van koolstofatomen die in de loop van de tijd uitgroeien tot grotere domeinen totdat ze samenvloeien om het hele substraat te bedekken. Het team ontdekte eerder dat bij voldoende hoge temperaturen, de koolstofatomen van grafeen correleerden niet, of spiegel, de atomen van het substraat, waardoor niet-pitaxiale kristallijne groei mogelijk is.

Omdat de concentratie van het gasmengsel sterk van invloed is op hoe snel het eenkristal groeit, het leveren van de koolwaterstofvoorloper nabij de bestaande rand van een enkel grafeenkristal kan de groei ervan effectiever bevorderen dan de vorming van nieuwe clusters.

"In zo'n gecontroleerde omgeving, de snelst groeiende oriëntatie van grafeenkristallen overweldigt de andere en wordt 'evolutionair geselecteerd' tot een enkel kristal, zelfs op een polykristallijn substraat, zonder de oriëntatie van het substraat aan te passen, wat meestal gebeurt met standaard epitaxiale groei, ' zei Smirnov.

Ze ontdekten dat om een ​​optimale groei te garanderen, het was nodig om een ​​"wind" te creëren die helpt om de clusterformaties te elimineren. "Het was absoluut noodzakelijk dat we een omgeving creëren waarin de vorming van nieuwe clusters vóór het groeifront volledig werd onderdrukt, en de vergroting van alleen de groeiende rand van het grote grafeenkristal werd niet gehinderd, ' zei Vlassiouk. 'Toen, en alleen dan, niets staat de 'fittest' kristalgroei in de weg als het substraat in beweging is."

De theoretici van het team, onder leiding van co-auteur Rice University professor Boris Yakobson, leverde een model dat uitlegt welke kristaloriëntaties de unieke eigenschappen bezitten waardoor ze het meest geschikt zijn om te overleven, en waarom de keuze van een winnaar kan afhangen van het substraat en de voorlopers.

"Als grafeen of een ander 2D-materiaal ooit op industriële schaal doordringt, deze aanpak zal cruciaal zijn, vergelijkbaar met Czochralski's methode voor silicium." zei Yakobson. "Fabrikanten kunnen er zeker van zijn dat wanneer een grote, onbewerkte laag van wafelformaat wordt gesneden voor de fabricage van elk apparaat, elk resulterend stuk zal een eenkristal van hoge kwaliteit zijn. Deze potentieel enorme, impactvolle rol motiveert ons om theoretische principes te onderzoeken om zo duidelijk mogelijk te zijn."

Praktische opschaling van grafeen met behulp van de methode van het team valt nog te bezien, maar de onderzoekers geloven dat hun evolutionaire selectiemethode voor eenkristalgroei ook kan worden toegepast op veelbelovende alternatieve 2D-materialen zoals boornitride, ook wel bekend als "wit grafeen, " en molybdeendisulfide.