Onderzoekers van het Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) binnen het Institute for Basic Science (IBS, Zuid-Korea) hebben gemeld in Natuur Nanotechnologie de fabricage en het gebruik van eenkristal-koper-nikkellegeringsfoliesubstraten voor de groei van grote oppervlakken, eenkristal dubbellaagse en drielaagse grafeenfilms.

De groei van grafeenfilms met een groot oppervlak met een nauwkeurig gecontroleerd aantal lagen en stapelvolgorde kan nieuwe mogelijkheden bieden in elektronica en fotonica, maar blijft een uitdaging. Deze studie toonde het eerste voorbeeld van de synthese van twee- en drielaagse grafeenvellen groter dan een centimeter, met lagen die op een specifieke manier zijn opgestapeld, namelijk AB- en ABA-stapelen.

"Dit werk levert materialen voor de fabricage van grafeenapparaten met nieuwe functies die nog niet zijn gerealiseerd en die mogelijk nieuwe fotonische en opto-elektronische en andere eigenschappen opleveren, " legt Rodney S. Ruoff uit, CMCM-directeur, Distinguished Professor aan het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) en hoofdauteur van deze studie. Co-auteur en professor Won Jong Yoo van de Sungkyunkwan University merkt op dat "dit de weg vrijmaakt voor de studie van nieuwe elektrische transporteigenschappen van dubbellaags en drielaags grafeen."

Bijvoorbeeld, dezelfde IBS-onderzoeksgroep en medewerkers publiceerden onlangs een ander artikel in Natuur Nanotechnologie toont de conversie van AB-gestapelde dubbellaagse grafeenfilm, gekweekt op folies van koper/nikkel (111) legeringen (Cu/Ni(111) folies), tot een diamantachtig blad, bekend als diamane. Coauteur Pavel V. Bakharev merkt op dat:"Minder dan een jaar geleden, we produceerden gefluoreerde diamantmonolaag, F-diamant, door fluorering van precies de AB-gestapelde dubbellaagse grafeenfilms die in dit nieuwe artikel worden beschreven. Nu zorgt de mogelijkheid om dubbellaags grafeen van een groter formaat te produceren voor hernieuwde opwinding en laat zien hoe snel dit veld zich ontwikkelt."

De juiste substraatkeuze is essentieel voor de juiste groei van grafeen. Folies die alleen van koper zijn gemaakt, beperken de groei van dubbellaags grafeen en bevorderen een uniforme monolaaggroei. Het is mogelijk om meerlagige grafeenplaten op nikkelfilm te verkrijgen, maar deze zijn niet uniform, en hebben de neiging om kleine "patches" met verschillende diktes te hebben. Eindelijk, de in de handel verkrijgbare folies die zowel nikkel als koper bevatten, zijn niet ideaal. Daarom, IBS-onderzoekers maakten 'zelfgemaakte' eenkristal Cu/Ni(111)-folies met de gewenste eigenschappen, voortbouwend op een techniek gerapporteerd door de groep in Wetenschap in 2018. Nikkelfilms worden gegalvaniseerd op koper (111)-folies, zodat het nikkel en koper bij verhitting interdiffunderen en een nieuwe eenkristalfolie opleveren die beide elementen in instelbare verhoudingen bevat. Ruoff stelde deze methode voor en begeleidde Ming Huang's evaluaties van de beste concentraties nikkel om uniforme grafeenplaten met het gewenste aantal lagen te verkrijgen.

IBS-onderzoekers groeiden twee- en drielaagse grafeenplaten op Cu/Ni(111)-folies door middel van chemische dampafzetting (CVD). Huang bereikte AB-gestapelde dubbellaagse grafeenfilms van enkele vierkante centimeters, beslaat 95 procent van het substraatoppervlak, en ABA-gestapeld drielaags grafeen met meer dan 60 procent oppervlaktedekking. Dit vertegenwoordigt de eerste groei van ABA-gestapeld drielagig grafeen met hoge dekking over een groot gebied en de beste kwaliteit die tot nu toe is verkregen voor AB-gestapeld tweelagig grafeen.

Naast uitgebreide spectroscopische en microscopische karakteriseringen, de onderzoekers maten ook het elektrisch transport (dragermobiliteit en afstembaarheid van de band gap) en thermische geleidbaarheid van het nieuw gesynthetiseerde grafeen. De dubbellaagse grafeenfilms op centimeterschaal vertoonden een goede thermische geleidbaarheid, zo hoog als ~2300 W/mK (vergelijkbaar met geëxfolieerde dubbellaagse grafeenvlokken), en mechanische prestaties (stijfheid van 478 gigapascal voor de Young's modulus, en 3,31 gigapascal voor de breuksterkte).

Het team onderzocht vervolgens het groeistapelmechanisme en ontdekte dat het de zogenaamde "omgekeerde bruidstaart"-volgorde volgt, aangezien de onderste lagen na de bovenste worden geplaatst. "We hebben met drie onafhankelijke methoden aangetoond dat de tweede laag voor dubbellaags grafeen, en de tweede en derde laag van het drielaagse vel groeien onder een continue toplaag. Deze methoden kunnen verder worden gebruikt om de structuur en stapelvolgorde van andere 2-D dunne-filmmaterialen te bestuderen, " merkt Huang op.

Ruoff merkt op dat deze technieken voor het synthetiseren en testen van grootschalige ultradunne films de wereldwijde interesse zouden kunnen stimuleren om verder te experimenteren met monokristallijne Cu/Ni-legeringsfolies, en zelfs bij het verkennen van fabricage en gebruik van andere folies van eenkristallegering.