Ett tillvägagångssätt som producerar enkristallgrafenark på storskaliga elektriskt isolerande stöd kan hjälpa till med utvecklingen av nästa generations nanomaterialbaserade enheter, såsom mycket lätta och tunna pekskärmar, bärbar elektronik och solceller.

De flesta grafenbaserade elektroniska enheter kräver isolerande stöd. Ändå odlas högkvalitativa grafenfilmer avsedda för industriell användning vanligtvis på ett metallsubstrat, såsom kopparfolie, innan de överförs till ett isolerande stöd för tillverkning av enheter. Det här överföringssteget kan introducera föroreningar som påverkar hur väl enheten fungerar. Ansträngningar att odla grafen på isolerande stöd har inte lyckats producera de enkristaller av hög kvalitet som krävs.

"Om grafen kan odlas på ett isolerande substrat med ett rent gränssnitt kan vissa enheter fungera bättre", säger Ph.D. student Bo Tian, ​​som var med och ledde studien under Xixiang Zhangs ledning. "Detta öppnar också dörren till nya typer av grafenbaserade nanoenheter", förklarar han.

Zhang, Tian och medarbetare från Asien och Europa anpassade den kemiska ångavsättningsmetoden, som bygger på den kopparkatalyserade nedbrytningen av metan till kolprekursorer, för att generera släta enkristallgrafenmonoskikt på enkristallsubstrat i wafer-skala som kallas c-plan safir.

Forskarna omvandlade polykristallin kopparfolie till sin enkristalliska motsvarighet Cu(111) på safirytan och introducerade aktiva kolatomer från den metallsubstratkatalyserade nedbrytningen av metan på den resulterande filmen. Kolatomerna diffunderade genom metallfilmen mot koppar-safirgränssnittet, som fungerade som en mall, och bildade välorienterade grafenöar som, efter flera tillväxtcykler, smälte samman för att ge ett ark.

Förutom svaga ytinteraktioner visade kopparfilmen och safiren liknande kristallgittersymmetri som grafen, säger Tian, ​​vilket förklarar den höga kristalliniteten hos grafenmonoskiktet.

Forskarna etsade bort all grafen som hade samlats på toppen av kopparfilmen med hjälp av en väte-argonplasma för att underlätta koldiffusion. De sänkte ner proverna i flytande kväve innan de snabbt värmde upp dem till 500 grader Celsius, vilket gjorde kopparfilmen lätt att skala av samtidigt som grafenmonoskiktet hölls intakt.

Fälteffekttransistorer tillverkade på det safirodlade enkristallgrafenmonoskiktet uppvisade utmärkta prestanda med högre bärarrörlighet. Den överlägsna elektroniska prestandan hos grafen som odlas på safir beror på dess högre kristallinitet och färre veck på ytan, förklarar Tian.

"Vårt team försöker nu odla andra tvådimensionella material på den isolatorstödda grafenen för att bygga funktionaliserade storskaliga heterostrukturer," säger Tian. Dessa heterostrukturer som hålls samman av van der Waals-interaktioner förväntas vara användbara i framtida nanoenheter. + Utforska vidare

Enklare grafenmetod banar väg för en ny era av nanoelektronik