Grootschalige productieprocessen die gericht zijn op het produceren van tweedimensionale materialen (2DM's) voor industriële toepassingen zijn gebaseerd op een concurrentie tussen kwaliteit en productiviteit. De top-down mechanische splitsingsmethode maakt pure en perfecte 2DM's mogelijk, maar ze zijn een zwakke optie voor grootschalige productie. In een nieuw rapport in wetenschappelijke vooruitgang , Ji-Yun Moon en een onderzoeksteam in energiesystemen, materiaal kunde, natuurkunde en nano-architectuur in het VK, Japan en Korea presenteerden een laag-ontwikkelde exfoliatietechniek om grootschalige grafeen tot een millimeter te verkrijgen met selectieve diktecontrole. Met behulp van gedetailleerde spectroscopie en analyse van elektronentransportmetingen, het team steunde het voorgestelde mechanisme voor afbrokkeling (fragmentatie). De laag-ontwikkelde exfoliatiemethode zal de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van een industrieel proces voor grafeen en andere 2DM's, voor toepassingen in de elektronica en opto-elektronica.

Nieuwe methoden om monolaag grafeen te verkrijgen

Materiaalwetenschappers scheidden eerst met succes monolaag grafeen van driedimensionaal (3-D) grafiet met behulp van mechanische exfoliatie van bovenaf. Grafeen is een uniek materiaal vanwege zijn fysische en chemische samenstelling dat veel aandacht heeft getrokken voor diverse toepassingen in de elektronica, opto-elektronica en andere gebieden. In dit werk, Maan et al. introduceerde een nieuwe techniek die bekend staat als layer-engineered exfoliation (LEE) om grafeen met een groot oppervlak te verkrijgen terwijl het selectieve aantal grafeenlagen in de opstelling wordt gecontroleerd. Om dit te bereiken, ze zetten een dunne film van goud (Au) af op vooraf gesplitst grafiet om selectief de bovenste monolaag van grafeen af ​​te pellen. Vervolgens pasten ze de grensvlaktaaiheid van grafeen aan door verschillende metaalfilms af te zetten, waaronder palladium (Pd), nikkel (Ni) en kobalt (Co) om grafeen met een groot oppervlak te verkrijgen met een gecontroleerd aantal lagen. Mechanisch geëxfolieerd grafeen wordt beperkt door zijn grootte, opbrengst- en diktecontrole, die momenteel niet geschikt is voor industriële toepassingen. Eerder hadden onderzoekers gedacht aan dampafzetting, maar de resultaten waren niet uitstekend. Als een nieuwe techniek conventionele methoden van exfoliatie kan overwinnen, onderzoekers hebben een aantrekkelijke, alternatieve synthetische benadering om grafeen te bereiden.

De wetenschappers gebruikten spectroscopie en elektronentransportstudies om de afwezigheid van intrinsieke defecten of chemische contaminatie in de met de LEE-methode ontwikkelde monsters te bevestigen. De exfoliatiemethode is een veelbelovende benadering om 2D-heterostructuren met een groot oppervlak te bouwen voor commercialisering. Tijdens het proces van exfoliatie van grafietvlokken, het team boog het oppervlak met behulp van een externe stressor om een ​​scheur te creëren bij domeingrenzen, die zich voortplantte langs het metaal-grafeen-interface om afschilfering van een groot gebied te veroorzaken als gevolg van resterende spanning. Bijvoorbeeld, toen het team een ​​gouden (Au) film als stressfactor gebruikte, de buigenergie tussen Au-grafeen en grafeen-grafeen maakte de scheiding van een monolaag mogelijk zonder fysieke defecten. Maan et al. kwantitatief de grootte en dichtheid van geëxfolieerd monolaag grafeen geanalyseerd om de betrouwbaarheid van de techniek te verifiëren. De resultaten toonden een gemiddeld gebied dat een 4 bereikte, 200-voudige toename vergeleken met grafeen geëxfolieerd via conventionele methoden. De LEE-methode liet ook betere resultaten zien in vergelijking met standaard mechanische exfoliatie in verhouding tot de dichtheid van de monolaag. De methode was reproduceerbaar en daarom betrouwbaar om monolaag grafeen te exfoliëren in een gecontroleerde benadering in het laboratorium.

Karakterisering van LEE-grafeen

Maan et al. voerde Raman-spectroscopiemetingen uit op LEE-grafeen om hun voorgestelde fragmentatiemechanisme te ondersteunen, die gevoelig was voor door stress veroorzaakte spalling (fragmentatie) van grafeen. De resultaten specificeerden hoe de trekspanning vrijkwam tijdens het LEE-proces toen grafeen werd opgetild om de oorspronkelijke eigenschap van normaal geëxfolieerd grafeen te herstellen. Met behulp van aanvullende spectroscopie- en microscopiestudies, het team bevestigde de kwaliteit van LEE-grafeen. Bijvoorbeeld, atomaire krachtmicroscopie (AFM) metingen toonden geen opmerkelijke fysieke defecten aan het grafeenoppervlak, zoals scheuren, vouwen of scheuren. Als resultaat, ze erkenden dat de metaalfilm het oppervlak van grafeen effectief beschermde tegen organische resten tijdens het LEE-proces.

Elektronentransporteigenschappen in LEE-grafeen

De wetenschappers controleerden de kwaliteit van LEE-grafeen, zoals blijkt uit spectroscopie- en microscopieresultaten door elektronentransportmetingen uit te voeren op het monolaag-grafeenapparaat. Ze bereikten dit door grafeen in te kapselen tussen defectvrije hexagonale boornitride (hBN) kristallen. De hBN zorgde voor een vlak en schoon oppervlak voor grafeen en beschermde het materiaal tegen contaminatie na afschilfering. De potentiële fluctuatiewaarde van het grafeenapparaat was vergelijkbaar met een adequaat geëxfolieerd grafeenapparaat in eerder werk, het aantonen van de nauwkeurigheid van het apparaat ontwikkeld in dit werk. Het team berekende de elektronenmobiliteit (µ) van het apparaat bij 300 K, die de omvang overtrof die in eerder werk werd gerapporteerd voor een grafeenapparaat, terwijl het overeenkomt met de mobiliteit van een grafeenapparaat dat elders is ontwikkeld met de standaard exfoliatiemethode. Het werk toonde daarom aan dat de LEE-techniek de kwaliteit van grafeen niet verslechterde.

Op deze manier, Ji-Yun Moon en collega's gebruikten en beoordeelden de LEE-benadering (layer-engineered exfoliation) om grafeen met een hoge dichtheid te verkrijgen met een buitengewoon groot oppervlak van natuurlijk grafiet. Om dit te bereiken, ze gebruikten verschillende metaalafzettingstechnieken om de diepte van fragmentatie te beheersen en op grote schaal laaggemanipuleerde grafeen te produceren. De nieuwe methode week af van de standaard methode van exfoliëren, die slechts een enkel schilproces toestond. De wetenschappers verkregen het grafeen met een groot oppervlak uit dezelfde grafietvlok door het afzettings- en scheurproces van de metaalfilm te herhalen. Het werk liet zien hoe in lagen geconstrueerd grafeen over een groot gebied kan worden geëxfolieerd, de weg vrijmaken voor grootschalige productie voor toekomstige industriële toepassingen van 2-D heterostructuren.

© 2020 Wetenschap X Netwerk