De elektronica-industrie zou er vandaag de dag heel anders uit kunnen zien, ware het niet dat de kosten van hoogwaardige monokristallijne siliciumwafels de afgelopen vijf decennia dramatisch zijn gedaald. Dus wat zou er gebeuren als de kosten van monokristallijn grafeen een even grote duik zouden nemen? Resultaten gerapporteerd in ACS Nano kan dit dichter bij de realiteit brengen, omdat ze laten zien dat monokristallijn grafeen kan groeien in een fractie van de gebruikelijke tijd en met veel goedkopere polykristallijne substraten dan normaal nodig is.

De kosten voor het produceren van grafeen zijn de afgelopen 20 jaar al aanzienlijk gedaald van honderdduizenden dollars per kilogram tot minder dan $ 50. Echter, het benutten van de elektronische eigenschappen van het materiaal stelt veel hogere eisen aan de kristalkwaliteit:korrelgrenzen, defecten en dislocaties verstoren allemaal het elektronische gedrag van het materiaal, zodat het prijskaartje voor grafeen van elektronische kwaliteit hoog blijft.

Chemische dampafzetting is een van de meest populaire benaderingen om grafeen van goede kwaliteit te kweken, maar gebreken zijn onvermijdelijk. Knutselen met de parameters tijdens de groei, zodat er geen extra nucleatieplaatsen worden gevormd, kan de groei van monokristallijn grafeen bevorderen, eventueel. Echter, de lange tijd die deze groei in beslag neemt, maakt het kostbaar. Andere benaderingen omvatten groei op een enkelkristallijn katalytisch substraat, maar deze substraten zijn duurder, opnieuw de kosten opdrijven.

In plaats daarvan, Dongmok Whang van het Sungkyunkwan University Advanced Institute of Nanotechnology en Jae-Hyun Lee van de Ajou University en hun collega's hebben wat monokristallijn grafeen genomen en stukjes ervan overgebracht op een polykristallijn substraat. Ze laten in hun rapport zien dat ze vervolgens door het groeien van de stukjes op de polykristallijne metalen aan elkaar kunnen plakken. Omdat ze allemaal afkomstig zijn uit hetzelfde monster, het kristalrooster van elk stuk is in dezelfde richting georiënteerd, zonder korrelgrenzen. "Als de synthesetemperatuur, gas gebruikt, enz. worden verondersteld vergelijkbaar te zijn, het thermische budget en de prijs van het substraat kunnen worden teruggebracht tot een kwart, " legt Leen uit.

Naadloze groei

Lee legt uit dat ze op het idee kwamen nadat uit een voorlopig literatuuronderzoek bleek dat de energie die nodig is om grafeen vanaf de rand van het grafeenzaad te laten groeien theoretisch lager is dan de energie die nodig is voor de kiemvorming van nieuwe grafeenzaden. "Met andere woorden, men dacht dat extra kiemvorming gemakkelijk kon worden onderdrukt bij lagere energiecondities (bijv. lage concentratie van voorloper of lage groeitemperatuur)."

Whang en Lee en collega's hadden ook een voorsprong om het proces te laten werken. Hun gezaaide groeiproces hangt af van toegang tot monolaag grafeen met een groot oppervlak, waar ze veel ervaring mee hadden. In aanvulling, ze hadden een techniek nodig die in staat is om de uitgelijnde zaden netjes over te brengen naar zorgvuldig uit elkaar geplaatste en uitgelijnde posities op het polykristallijne substraat. Gelukkig, ze hadden ook eerder aangetoond dat bij het kweken van grafeen op een bepaald facet van monokristallijn germanium - Ge (110) - een waterstoflaag gevormd op het grensvlak tussen het grafeen en het substraat, waardoor het gemakkelijker is om over te stappen.

Zelfs met overdracht van Ge(110), gebreken sluipen onvermijdelijk binnen, maar de onderzoekers konden ook aantonen dat door het methaan gedurende een periode tijdens de groei te verminderen, de etssnelheid zou de groeisnelheid kunnen overschrijden, zodat bestaande defecten kunnen worden weggeëtst.

Grafeen van elektronische kwaliteit

Om te bepalen welke zaadgrootte en -afstand het beste zouden werken, Whang en Lee en collega's berekenden de diffusielengte voor de gebruikte temperaturen en precursorconcentraties. Ze sneden "zaden" van 10 m breed uit hun oorspronkelijke monokristallijne grafeenmonster en brachten ze over naar polykristallijn platina met een onderlinge afstand van 50 m. Hier, ze kweekten monokristallijn grafeen tot een oppervlakte van 2 cm x 2 cm. ", zegt Lee. "Maar we geloven dat onze aanpak volledig kan worden toegepast op grote katalysatorsubstraten."

Niet alleen is polykristallijn platina veel goedkoper, maar ze kunnen het substraat recyclen zonder de kwaliteit van het resulterende monokristallijne grafeen te beschadigen, zodat het uitkomt op ongeveer $ 100 dollar per cm ² van substraat in plaats van $ 2000. Ze verwachten dat als ze de overgebrachte zaden op polykristallijn koper- of aluminiumfolie kunnen kweken, zij zullen de kosten nog verder kunnen verlagen.

De onderzoekers testten de elektronische eigenschappen van grafeen dat is gegroeid uit overgedragen zaden door veldeffecttransistorapparaten te bouwen die zich op de plaatsen van twee overgedragen zaden bevonden. Vergelijkingen van de elektronenmobiliteit toonden geen merkbare afname in mobiliteit waar de overgebrachte zaden samenkwamen, geven 11, 811 Vcm ^-1 s ^-1 voor de linkerkorrel, 10, 844 voor rechts en 11, 063 Vcm ^-1 s ^-1 tussen hen.

Andere 2D-materialen?

De onderzoekers probeerden het idee uit met grafeen omdat het groeigedrag goed wordt begrepen, en vooral, het is slechts gemaakt van één atoomtype, koolstof, wat het proces vereenvoudigt. Ze willen de benadering toepassen op 2D-materialen, maar zou moeten onderzoeken hoe ze de verschillende voorlopers voor niet-elementaire 2D-materialen beheren.

"Er zijn veel variabelen waarmee rekening moet worden gehouden vanwege de verschillende oplosbaarheid en diffusiesnelheden van elk element in de katalysator, " zegt Lee. "Echter, als we een proces gebruiken dat achtereenvolgens een voorloper en een andere voorloper laat reageren, zoals een atomic layer deposition (ALD) proces, die procesparameters kunnen vereenvoudigen, het zou mogelijk kunnen zijn om een ​​enkele kristallijne monolaag van verschillende 2D-materialen te laten groeien."

© 2020 Wetenschap X Netwerk