Wetenschap
Ingenieurs koppelen zuurstof aan de kwaliteit van grafeen en ontwikkelen nieuwe technieken om het materiaal reproduceerbaar op schaal te maken
Grafeen wordt wel ‘het wondermateriaal van de 21e eeuw’ genoemd. Sinds de ontdekking in 2004 wordt het materiaal – een enkele laag koolstofatomen – aangeprezen vanwege zijn vele unieke eigenschappen, waaronder ultrahoge elektrische geleidbaarheid en opmerkelijke treksterkte. Het heeft het potentieel om elektronica, energieopslag, sensoren, biomedische apparaten en meer te transformeren. Maar grafeen heeft een vies geheimpje:het is vies.
Nu staan ingenieurs van Columbia University en collega's van de Universiteit van Montreal en het National Institute of Standards and Technology klaar om de boel op te ruimen met een zuurstofvrije chemische dampafzettingsmethode (OF-CVD) die grafeenmonsters van hoge kwaliteit kan creëren schaal.
Hun werk, gepubliceerd op 29 mei in Nature laat direct zien hoe sporen van zuurstof de groeisnelheid van grafeen beïnvloeden en identificeert voor het eerst het verband tussen zuurstof en grafeenkwaliteit.
"We laten zien dat het elimineren van vrijwel alle zuurstof uit het groeiproces de sleutel is tot het bereiken van reproduceerbare, hoogwaardige CVD-grafeensynthese", zegt senior auteur James Hone, Wang Fong-Jen hoogleraar Werktuigbouwkunde aan Columbia Engineering. "Dit is een mijlpaal in de richting van de grootschalige productie van grafeen."
Grafeen is historisch gezien op twee manieren gesynthetiseerd. Er is de 'scotch-tape'-methode, waarbij afzonderlijke lagen worden afgepeld van een bulkmonster grafiet (hetzelfde materiaal dat je in potloodstift aantreft) met behulp van huishoudtape.
Dergelijke geëxfolieerde monsters kunnen behoorlijk schoon zijn en vrij van onzuiverheden die anders de gewenste eigenschappen van grafeen zouden verstoren. Ze zijn echter vaak te klein (slechts enkele tientallen micrometers in doorsnede) voor toepassingen op industriële schaal en dus beter geschikt voor laboratoriumonderzoek.
Om van laboratoriumverkenningen naar toepassingen in de echte wereld te gaan, ontwikkelden onderzoekers ongeveer vijftien jaar geleden een methode om grafeen met een groot oppervlak te synthetiseren. Dit proces, bekend als CVD-groei, laat een koolstofhoudend gas, zoals methaan, over een koperoppervlak stromen bij een temperatuur die hoog genoeg is (ongeveer 1.000°C) zodat het methaan uiteenvalt en de koolstofatomen zich herschikken om één enkele honingraat te vormen. gevormde laag grafeen.
CVD-groei kan worden opgeschaald om grafeenmonsters te creëren die centimeters of zelfs meters groot zijn. Ondanks jarenlange inspanningen van onderzoeksgroepen over de hele wereld hebben CVD-gesynthetiseerde monsters echter te kampen met problemen met reproduceerbaarheid en variabele kwaliteit.
Het probleem was zuurstof. In eerdere publicaties hadden co-auteurs Richard Martel en Pierre Levesque uit Montreal aangetoond dat sporen van zuurstof het groeiproces kunnen vertragen en zelfs het grafeen kunnen wegetsen. Ongeveer zes jaar geleden ontwierp en bouwde Christopher DiMarco, GSAS'19, een CVD-groeisysteem waarin de hoeveelheid zuurstof die tijdens het afzettingsproces werd geïntroduceerd zorgvuldig kon worden gecontroleerd.
Huidig doctoraat studenten Xingzhou Yan en Jacob Amontree zetten het werk van DiMarco voort en verbeterden het groeisysteem verder. Ze ontdekten dat wanneer sporen van zuurstof werden geëlimineerd, de CVD-groei veel sneller verliep – en elke keer dezelfde resultaten opleverde. Ze bestudeerden ook de kinetiek van zuurstofvrije CVD-grafeengroei en ontdekten dat een eenvoudig model de groeisnelheid kon voorspellen over een reeks verschillende parameters, waaronder gasdruk en temperatuur.
De kwaliteit van de OF-CVD-gekweekte monsters bleek vrijwel identiek aan die van geëxfolieerd grafeen. In samenwerking met collega's van de natuurkundeafdeling van Columbia vertoonde hun grafeen opvallend bewijs voor het fractionele kwantum Hall-effect onder magnetische velden, een kwantumfenomeen dat voorheen alleen werd waargenomen in tweedimensionale elektrische systemen van ultrahoge kwaliteit.
Vanaf hier is het team van plan een methode te ontwikkelen om hun hoogwaardige grafeen op een schone manier over te brengen van de metaalgroeikatalysator naar andere functionele substraten zoals silicium – het laatste stukje van de puzzel om dit wondermateriaal volledig te kunnen benutten.
"Als studenten raakten we allebei gefascineerd door grafeen en het potentieel ervan", zeiden Amontree en Yan. "We hebben de afgelopen vier jaar van onze doctoraatsopleiding talloze experimenten uitgevoerd en duizenden monsters gesynthetiseerd. Het is een droom die uitkomt om te zien dat deze studie eindelijk werkelijkheid wordt."