Tredimensionell (3D) nanoporös grafen med bevarade 2D Dirac elektroniska tecken syntetiserades framgångsrikt av Dr. Yoshikazu Ito och Prof. Mingwei CHEN vid Advanced Institute for Materials Research (AIMR), Tohoku universitet. Den nanoporösa grafenen är konstruerad av ett grafenark med ett lager som kontinuerligt är sammankopplat för att bilda en komplex 3D-nätverksstruktur. Denna fristående nanoporösa grafen med utmärkt kristallinitet har hög rörlighet, har ett stort löfte för applikationer inom elektroniska enheter.

Den nanoporösa grafenen odlades med en nanoporös metallbaserad kemisk ångavsättningsmetod (CVD) som visas i figur 1(a). Den övergripande morfologin för nanoporös grafen i figur 1 (b) visar ett ~ 20 µm tjockt fristående bulkark. Även om 3D -nanoporös grafen har en komplex struktur, det har visat sig vara 500 cm2/Vs i elektronrörlighet och ett masslöst Dirac-konsystem. Eftersom den konventionella transistorn kräver elektronmobilitet på 200 cm2/Vs, det förväntas starkt att denna nanoporösa grafen kommer att ge en ny enhet som kan ersättas med Si-enheter.

Detta arbete samarbetar med forskarteamen av Prof. Katsumi Tanigaki och Prof. Takashi Takahashi vid AIMR, Tohoku universitet. Dessa forskningsresultat kommer att publiceras i nummer 19 av ' Angewandte Chemie International Edition ' som ett hett papper den 2 maj.

Grafen är ett enskiktigt kolmaterial med låg kostnad, hög kemisk/termisk stabilitet, och ultrahög styrka och förväntas bli en ersättning av kisel och ädelmetaller för elektroniska enheter, batterimaterial, foto-/jondetektorer och katalysatorer. Även om vissa grafenprodukter som display och elektroder är kommersiellt tillgängliga, applikationerna är begränsade på grund av 2D-arkstrukturen. Med andra ord, prestandan per gram är utmärkt men prestanda per volym kan inte uppnås lätt. Därför, många ansträngningar har gjorts för att konstruera 2D-materialet som en 3D-struktur med bibehållna fysikaliska/kemiska egenskaper och hög volymetrisk prestanda. Dock, de rapporterade 3D nanoporösa kolmaterialen lider av dålig rörlighet på grund av den lägre kristalliniteten, som inte kan användas för elektronenheterna. För att uppnå 3D-kolmaterial av halvledarkvalitet, det monolager grafenarket med en högkristallin struktur krävs i en 3D-struktur. Således, vi har utvecklat en 3D nanoporös grafen med bibehållen hög rörlighet och unika 2D elektroniska egenskaper hos grafen.

Den nanoporösa grafen i figur 1 syntetiserades med den nanoporösa metallbaserade CVD -metoden. Den nanoporösa grafen ärver helt den geometriska strukturen hos det nanoporösa nickelsubstratet efter upplösning av nickel. Atomstrukturen hos det nanoporösa grafenet observerades av TEM som visas i figur 2. Ligamentet i figur 2(a) konstruerades av plana ytdelar (figur 2(b)) och krökningsdelar (figur 2(c)) av grafen ark. Det är uppenbart att de sexledade ringarna observerades i den platta delen medan de fem- och sjuledade ringarna observerades i de krökta delarna på grund av det geometriska kravet för att skapa krökningsstrukturerna.

De fysikaliska egenskaperna hos den nanoporösa grafenen undersöktes. Eftersom 2D -grafen är ett Dirac -konsystem (Figur 3 (a)) och visar en linjär dispersionselektronisk tillståndstäthet (Figur 3 (b)). Den 3D nanoporösa grafenen i figur 2 visar också ett linjärt förhållande nära Fermi-nivån, vilket är liknande med 2D-grafen. Elektronrörligheten för den nanoporösa grafenen med olika porstorlekar mättes. När temperaturen ökar, elektronrörligheten minskar något till 200-400 cm2/Vs. Jämfört med 2D CVD grafen, elektronrörligheten är fortfarande tillräckligt hög för enhetstillämpningar.

Sammanfattningsvis, den nanoporösa grafenen bevarar 2D-grafenterminer. Dessa fynd rapporteras först för att avslöja de fysiska egenskaperna hos 3D nanoporös grafen.

3D-nanoporös grafen förväntas ge ett genombrott för att lösa ett problem med volymetrisk prestanda hos 2D-grafen genom att tillhandahålla rikliga porösa strukturer för en enkel masstransport och stor effektiv yta. Dessutom, den nanoporösa grafenen bevarar 2D grafen elektroniska tecken och förväntas användas för tillämpningar i elektroniska enheter som transistorer och kondensorer.