Nya observationer kan förbättra industriell produktion av högkvalitativt grafen, påskynda eran av grafenbaserad hemelektronik, tack vare University of Illinois ingenjörer.

Genom att kombinera data från flera bildtekniker, teamet fann att kvaliteten på grafen beror på kristallstrukturen hos kopparsubstratet det växer på. Leds av elektro- och datateknikprofessorerna Joseph Lyding och Eric Pop, forskarna publicerade sina resultat i tidskriften Nanobokstäver .

"Grafen är ett mycket viktigt material, "Lyding sa. "Framtiden för elektronik kan bero på det. Kvaliteten på dess produktion är ett av de viktigaste olösta problemen inom nanoteknik. Det här är ett steg i riktning mot att lösa det problemet."

För att producera stora ark grafen, metangas leds in i en ugn som innehåller ett ark av kopparfolie. När metanet träffar kopparn, kol-vätebindningarna spricker. Väte kommer ut som gas, medan kolet fastnar på kopparytan. Kolatomerna rör sig tills de hittar varandra och binder till grafen. Koppar är ett tilltalande substrat eftersom det är relativt billigt och främjar enskiktsgrafentillväxt, vilket är viktigt för elektroniktillämpningar.

"Det är en mycket kostnadseffektiv, enkelt sätt att göra grafen i stor skala, sa Joshua Wood, en doktorand och uppsatsens huvudförfattare.

"Dock, detta tar inte hänsyn till finesserna i att odla grafen, ", sa han. "Att förstå dessa subtiliteter är viktigt för att göra högkvalitativa, högpresterande elektronik."

Medan grafen som odlas på koppar tenderar att vara bättre än grafen som odlas på andra substrat, den förblir full av defekter och flerskiktssektioner, utesluter högpresterande applikationer. Forskare har spekulerat i att råheten på kopparytan kan påverka grafentillväxt, men Illinois-gruppen fann att kopparns kristallstruktur är viktigare.

Kopparfolier är ett lapptäcke av olika kristallstrukturer. När metanet faller på folieytan, formerna på kopparkristallerna den möter påverkar hur väl kolatomerna bildar grafen.

Olika kristallformer tilldelas indexnummer. Med hjälp av flera avancerade bildtekniker, Illinois-teamet fann att fläckar av koppar med högre indextal tenderar att ha lägre kvalitet på grafentillväxt. De fann också att två vanliga kristallstrukturer, numrerade (100) och (111), har den sämsta och bästa tillväxten, respektive. (100) kristallerna har en kubisk form, med stora klyftor mellan atomerna. Under tiden, (111) har en tätt packad hexagonal struktur.

"I (100)-konfigurationen är det mer sannolikt att kolatomerna fastnar i hålen i kopparn på atomnivå, och sedan staplas de vertikalt istället för att diffundera ut och växa i sidled, " sa Wood. "Ytan (111) är sexkantig, och grafen är också sexkantigt. Det är inte för att säga att det finns en perfekt matchning, men att det finns en föredragen matchning mellan ytorna."

Forskare står nu inför att balansera kostnaden för all (111) koppar och värdet av hög kvalitet, defektfri grafen. Det är möjligt att tillverka enkristallkoppar, men det är svårt och oöverkomligt dyrt.

U. of I.-teamet spekulerar i att det kan vara möjligt att förbättra kopparfolietillverkningen så att den har en högre andel (111) kristaller. Grafen som odlas på sådan folie skulle inte vara idealiskt, men kan vara "tillräckligt bra" för de flesta applikationer.

"Frågan är, hur optimerar du det samtidigt som du behåller kostnadseffektiviteten för tekniska applikationer?" sa Pop, en medförfattare till tidningen. "Som en gemenskap, vi skriver fortfarande på kokboken för grafen. Vi förfinar ständigt våra tekniker, testa nya recept. Som med all teknik i sin linda, vi undersöker fortfarande vad som fungerar och vad som inte fungerar."

Nästa, forskarna hoppas kunna använda sin metod för att studera tillväxten av andra tvådimensionella material, inklusive isolatorer för att förbättra grafenenhetens prestanda. De planerar också att följa upp sina observationer genom att odla grafen på enkristallkoppar.

"Det är mycket förvirring i grafenbranschen just nu, ", sa Lyding. "Det faktum att det finns en tydlig observationsskillnad mellan dessa olika tillväxtindex hjälper till att styra forskningen och kommer förmodligen att leda till fler kvantitativa experiment samt bättre modellering. Den här tidningen kanaliserar saker i den riktningen."