Tillbaka 2004, fysikgemenskapen började precis inse existensen av verkligt tvådimensionellt (2-D) material, grafen. Spola framåt till 2019, och forskare utforskar en bredd av 2D-material för att avslöja mer av deras grundläggande egenskaper. Frensin bakom dessa nya 2D-material ligger i deras fascinerande egenskaper - material som tunnas ut till endast ett fåtal atomer fungerar väldigt annorlunda än 3D-material. Elektroner packade i det tunnaste lagret någonsin uppvisar distinkta egenskaper förutom att de är i ett "löst nät". Att även vara flexibel, 2D-material kan ha distinkta elektriska egenskaper, öppna upp nya applikationer för nästa generations teknologier som böjbara och bärbara enheter.

Sedan, vad är haken? Många parametrar som temperatur, tryck, prekursortyp och flödeshastighet måste inkluderas i CVD-syntesen av 2-D-material. Med flera reaktioner involverade, det är extremt svårt att optimera alla dessa faktorer under reaktionerna och hitta deras bästa kombinationer. Med det sagt, 2D-materialsyntes är svår att kontrollera. Forskare har försökt påskynda tillväxten av 2D-material genom att använda olika substrat, råvaror och temperatur. Fortfarande, endast ett fåtal typer av 2D-material kan syntetiseras till stora ytor, högkvalitativa filmer.

Forskare från Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM), inom Institute for Basic Science (IBS) vid Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) och samarbetspartners visade att fluor, har den starkaste tendensen att attrahera elektroner (d.v.s. elektronegativitet) i alla element, kan påskynda den kemiska reaktionen för att odla tre representativa 2D-material; grafen, h-BN, och WS2. Fluor kräver bara en elektron för att uppnå en hög stabilitet. Också, har sju elektroner i den yttersta omloppsbanan av en atom, avståndet vid vilket dessa valenselektroner befinner sig är det minsta jämfört med andra element. Detta betyder att fluorets valenselektroner är bundna till atomen starkare än någon annan atom, gör fluor till det mest aktiva grundämnet i det periodiska systemet.

Faktiskt, aktiva gaser som väte eller syre används i stor utsträckning för att justera tillväxten av grafen och andra 2D-material. "Varför inte det mest aktiva elementet, fluor? Den högsta elektronegativiteten tillåter fluor att bilda bindningar med nästan alla atomer i det periodiska systemet, så det förväntas förändra reaktionsvägarna för många kemiska processer, sa professor Feng Ding, motsvarande författare till denna studie.

Experimentellt, det är inte att föredra att införa fluor under ett materials tillväxt, eftersom fluor blir mycket giftigt i reaktorn. För att lösa problemet, istället för att använda fluorgas direkt, forskarna begränsade fluortillförseln rumsligt så att endast den minsta mängden fluor förbrukas. De placerade ett metallfluoridsubstrat (MF ₂ ) under en Cu-folie med ett mycket smalt mellanrum. Vid hög temperatur, fluorradikaler frigörs från fluoridytan och fångas rumsligt i det smala gapet mellan Cu-folien och metallfluoridsubstratet. Förvånande, en sådan enkel förändring leder till en rekordtillväxthastighet av grafen med 12 mm per minut. För att sätta denna kurs i perspektiv, detta nya tillvägagångssätt minskar växttiden med 10 cm ² grafen från 10 minuter med tidigare metoder, nu nere på bara tre minuter.

Införandet av lokalt fluor förändrar helt metannedbrytningsvägen. Eftersom fluoret som frigörs från metallfluoridytan lätt reagerar med metangas, det kommer att finnas en tillräcklig mängd CH ³ F eller CH ² F ² molekyler i gapet mellan Cu och BaF ² substrat. Dessa molekyler skulle kunna sönderdela på en Cu-yta mycket lättare än CH4 gör. Med andra ord, de matar grafentillväxten bättre genom att tillföra fler aktiva kolradikaler (d.v.s. CH ³ , CH ² , CH och C).

Ytterligare experimentella studier visade att den lokala fluorförsörjningsstrategin avsevärt skulle kunna påskynda tillväxten av andra 2D-material som h-BN och WS2, också. Forskarna undersökte hur spatialt begränsat fluor kan påskynda tillväxten av 2D-material. Teoretiska studier visade att fluor, vara mycket reaktiv, interagerar lätt med metanmolekyler. Förekomsten av fluor leder till bildandet av CH ³ F eller CH ² F ² molekyler. Dessa mycket aktiva molekyler kan sedan lättare sönderdelas på Cu-foliens yta, vilket kraftigt påskyndar koltillförseln för snabb grafentillväxt.

Även om den detaljerade mekanismen för fluor som ökar tillväxten av h-BN och WS2 inte är klar, författarna är övertygade om att närvaron av fluor avsevärt kan modifiera reaktionerna av 2D-materials tillväxt. "Vi föreställer oss att denna lokala fluorförsörjning lätt kommer att underlätta snabb tillväxt av breda 2-D-material eller möjliggöra tillväxten av nya 2-D-material, vilket är mycket svårt att inse med andra metoder, " sa professor Feng Ding. Förutom fluorid, det finns rikligt med typer av substrat som sulfider, selenider, klorider eller bromider som kan användas som lokala försörjningskällor för olika aktiva material, som ger en tillräckligt bred plattform för att modulera tillväxten av breda 2D-material.