Een internationaal team van onderzoekers, onder leiding van Distinguished Professor Rodney S. Ruoff (School of Natural Sciences) van het Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM), binnen het Institute for Basic Science (IBS) van UNIST, heeft een werkelijk enkele laag gerapporteerd (d.w.z. adlaagvrije) grafeenfilm met groot oppervlak op koperfolie met groot oppervlak. Dit lijkt misschien de laatste in een reeks van schijnbaar vergelijkbare verklaringen over enkellaags grafeen. Echter, deze prestatie verschilt van andere duizenden eerdere publicaties in die zin dat geen van hen echt enkellaags grafeen over een groot gebied had beschreven. Adlayers (tweelagige of meerlagige gebieden) zijn altijd aanwezig geweest in dergelijke films.

De wetenschappers verfijnden de groeimethode met chemische dampafzetting (CVD) door alle koolstofonzuiverheden in de koperfolies waarop grafeen wordt gekweekt, te elimineren. CVD op metaalfolies (vooral koperfolies) is momenteel de meest veelbelovende route voor schaalbare en reproduceerbare synthese van grafeenfilms met een groot oppervlak van hoge kwaliteit. Het team onderzocht waarom "adlayers" verschenen in de grafeenfilm die op koperfolies is gegroeid en ontdekte dat de koolstofonzuiverheden in de folie direct leiden tot de kiemvorming en groei van adlayers. (Adlayers zijn gebieden in de film waar er 2 lagen of 3 lagen aanwezig zijn - meerlaagse "patches, " dat is.)

"We ontdekten dat de commerciële koperfolies 'overtollige koolstof' hebben, vooral aan het oppervlak - tot een diepte van ongeveer 300 nm, door gebruik te maken van time-of-flight secundaire ionen massaspectrometrie en verbrandingsanalyse. Uit een gesprek met een technisch expert in Jiangxi Copper Corporation Limited, een van 's werelds grootste leveranciers van koperfolie, we hebben geleerd dat de koolstof tijdens de fabricage in de koperfolie is ingebed, waarschijnlijk van op koolwaterstof gebaseerde olie(s) die worden gebruikt om rollen te smeren waarmee de koperfolie in contact komt bij de hoge walstemperaturen, " zei Dr. Da Luo, eerste auteur van het artikel. Na het volledig verwijderen van deze koolstof door gloeien onder H2 bij 1060 ° C, ze waren in staat om adlayer-vrije en dus echt enkellaagse grafeenfilm te bereiken.

Door dezelfde methode toe te passen, de IBS-wetenschappers verkregen ook een adlayer-vrije enkellaagse en monokristallijne grafeenfilm op een monokristallijne Cu-folie. Een van de eerste auteurs, Meihui Wang, legde uit:"We hebben dus twee problemen opgelost die voortdurend aanwezig waren in eerdere syntheses van CVD-grafeenfilms (adlayers en korrelgrenzen (GB's)) tegelijk." Inderdaad, het bereiken van perfecte uniformiteit in het aantal lagen over een groot gebied (enkele of dubbele lagen, bijvoorbeeld) kan worden gebruikt om een ​​consistente apparaatprestatie te garanderen. Adlayer-regio's verschillen in, bijv. dichtheid en grootte indien aanwezig in de actieve gebieden van apparaten. Naast adlayers, GB's zijn aanwezig in polykristallijne grafeenfilms die zijn bereid door CVD, waar grafeeneilanden met verschillende kristallografische oriëntaties samenkomen om de film te voltooien. De aanwezigheid van GB's verlaagt de mobiliteit van de drager en de thermische geleidbaarheid, en vermindert de mechanische sterkte.

Nog altijd, de wetenschappers bleven achter met één fascinerend kenmerk in hun eenkristalfilms:dit eenkristalgrafeen bevat zeer georiënteerde parallelle "plooien" die centimeters lang zijn, ongeveer honderd nanometer breed, en gescheiden door 20 tot 50 micrometer. Net als adlayers en GB's, Er werd waargenomen dat vouwen de dragermobiliteit van grafeen aanzienlijk verminderen. Om dergelijke verstrooiingseffecten van adlayers te elimineren, GB's en vouwen, het team patroonde veldeffecttransistoren in het gebied dat tussen twee aangrenzende plooien ligt en met de transistors parallel aan de plooien. In tegenstelling tot vouwen die quasi willekeurig verdeeld zijn in de polykristallijne grafeenfilm, de vouwen zijn sterk uitgelijnd in de eenkristal-grafeenfilm met groot oppervlak. Dit maakt het gemakkelijk om geïntegreerde hoogwaardige apparaten te fabriceren vanuit de gebieden tussen de plooien. Wang legde uit, "Het gebied tussen twee aangrenzende vouwen is 'schoon' zonder vouwen, tegenstanders, of GB's. Hierdoor kon het apparaat een zeer hoge elektronen- en gatenmobiliteit hebben. De veldeffecttransistoren vertonen zeer hoge dragermobiliteitswaarden bij kamertemperatuur van ongeveer 1,0 x 10 ⁴ cm ² V ^-1 s ^-1 . Een dergelijke hoge draaggolfmobiliteit "vertaalt" zich naar verschillende bruikbare apparaten met hoge prestaties."

Directeur Ruoff merkte op, "Onze benadering van adlayer-vrij monokristallijn grafeen met een groot oppervlak is een doorbraak. Dit uniforme, 'perfecte' enkele laag, eenkristalgrafeen zal naar verwachting worden gebruikt als een ultradun dragermateriaal voor beeldvorming met hoge resolutie transmissie-elektronenmicroscopie, en in optische apparaten. Ook als een geschikt grafeen om extreem uniforme functionalisering te bereiken, wat leidt tot vele andere toepassingen, in het bijzonder voor sensoren van verschillende typen. Ik zou ook willen opmerken dat we de sterke bijdragen van co-auteurs van UNIST, van HKUST, en van SKKU." Dit onderzoek werd ondersteund door het Institute for Basic Science, en is gepubliceerd in het tijdschrift, Geavanceerde materialen.