Snöflingor etsade i grafen på Skoltech. De ljusa områdena är grafen och de mörka är oxiderad koppar. Snöflingemönstret uppstod när det omgivande grafenet etsades bort av koldioxid i ett av experimenten innan den optimala gassammansättningen hittades. Kredit:Artem Grebenko/Skoltech
Forskare från Skoltech, MIPT, RAS Institute of Solid State Physics, Aalto University och på andra håll har föreslagit den första grafensyntestekniken som använder kolmonoxid som kolkälla. Det är ett snabbt och billigt sätt att producera högkvalitativt grafen med relativt enkel utrustning för användning i elektroniska kretsar, gassensorer, optik och mer. Studien publicerades i tidskriften Advanced Science .
Kemisk ångavsättning är standardtekniken för att syntetisera grafen, det enatomtjocka arket av kolatomer i ett bikakearrangemang med oöverträffade egenskaper användbara för elektroniktillämpningar och mer. CVD involverar vanligtvis kolatomer som bryter av gasmolekyler och sätter sig på ett substrat som ett monolager i en vakuumkammare. Ett populärt substrat är koppar, och de gaser som använts har alltid varit kolväten:metan, propan, acetylen, sprit, etc.
"Idén att syntetisera grafen från kolmonoxid kom för länge sedan, eftersom den gasen är en av de mest bekväma kolkällorna för tillväxt av enkelväggiga kolnanorör. Vi har haft erfarenhet av kolmonoxid i nästan 20 år. Men , våra första experiment med grafen misslyckades, och det tog oss lång tid att förstå hur man kontrollerar kärnbildningen och tillväxten av grafen. Det fina med kolmonoxid ligger i dess uteslutande katalytiska nedbrytning, vilket gjorde det möjligt för oss att implementera självbegränsande syntes av stora kristaller av enskiktsgrafen även vid omgivningstryck", säger studiens huvudforskare, Skoltech-professor Albert Nasibulin.
"Detta projekt är ett av de lysande exemplen på hur grundläggande studier gynnar tillämpad teknologi. De optimerade förhållanden som leder till bildandet av stora grafenkristaller blev genomförbara tack vare en förståelse av den djupa kinetiska mekanismen för grafenbildning och tillväxt verifierad av både teori och experiment ", understryker en medförfattare till artikeln, seniorforskaren Dmitry Krasnikov från Skoltech.
Den nya metoden drar nytta av principen om så kallad självbegränsande. Vid höga temperaturer tenderar kolmonoxidmolekyler att bryta upp i kol- och syreatomer när de kommer i närheten av kopparsubstratet. Men när det första lagret av kristallint kol avsatts och separerar gasen från substratet, avtar denna tendens, så processen gynnar naturligtvis bildandet av ett monolager. Metanbaserad CVD kan också fungera på ett självbegränsande sätt, men i mindre utsträckning.
"Systemet vi använde har ett antal fördelar:Den resulterande grafenen är renare, växer snabbare och bildar bättre kristaller. Dessutom förhindrar denna justering olyckor med väte och andra explosiva gaser genom att eliminera dem från processen helt", säger studiens första författare, Skoltech-praktikant Artem Grebenko.
Att metoden utesluter förbränningsrisker gör att inget vakuum krävs. Apparaten arbetar vid standardtryck, vilket gör den mycket enklare än konventionell CVD-utrustning. Den förenklade designen leder i sin tur till snabbare syntes. "Det tar bara 30 minuter från att man tar en blank kopparbit till att man drar ut grafenen", säger Grebenko.
Eftersom vakuum inte längre behövs fungerar utrustningen inte bara snabbare utan blir också billigare. "När du släpper den avancerade hårdvaran för att generera ultrahögt vakuum, kan du faktiskt montera vår "garagelösning" för högst 1 000 USD", betonar forskaren.
Studiens medförfattare Boris Gorshunov, professor vid MIPT, betonar den höga kvaliteten på det resulterande materialet:"När en ny grafensyntesteknik presenteras är det absolut nödvändigt att forskarna bevisar att den producerar vad de hävdar att den gör. Efter rigorösa tester , vi kan med tillförsikt säga att vårt verkligen är högkvalitativt grafen som kan konkurrera med materialet som produceras via CVD från andra gaser. Det resulterande materialet är kristallint, rent och kommer i bitar som är tillräckligt stora för att användas i elektronik."
Förutom standardtillämpningarna av grafen som sådan, finns det spännande möjligheter att använda grafen bunden till kopparsubstratet - utan att rensa bort metallen. Jämfört med metan har kolmonoxid en mycket hög vidhäftningsenergi till metall. Detta innebär att när avsättning sker, skyddar grafen både kopparskiktet från kemiska reaktioner och ger det struktur, vilket skapar en högutvecklad metallyta som har stora katalytiska egenskaper. Vissa andra metaller, som rutenium och palladium, skulle också i detta sammanhang fungera för att öppna en väg för nya material med ovanliga ytor. + Utforska vidare
