Grafen är framtidens grejer. I åratal, forskare och teknologer har förutspått nyttan av de enatomtjocka arken av rent kol i allt från avancerade pekskärmar och halvledare till långvariga batterier och nästa generations solceller.

Men grafens unika inneboende egenskaper – överlägsen elektrisk och termisk ledningsförmåga och anmärkningsvärd elektronmobilitet, för att bara nämna några – kan bara realiseras fullt ut om den odlas fri från defekter som stör bikakemönster för de bundna kolatomerna.

Ett team under ledning av materialforskaren Anirudha Sumant med U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory's Center for Nanoscale Materials (CNM) and Materials Science Division, tillsammans med medarbetare vid University of California-Riverside, har utvecklat en metod för att odla grafen som innehåller relativt få föroreningar och kostar mindre att tillverka, på kortare tid och vid lägre temperaturer jämfört med de processer som ofta används för att tillverka grafen idag.

Teoretiskt arbete ledd av Argonne nanoforskaren Subramanian Sankaranarayanan vid CNM hjälpte forskare att förstå de processer på molekylär nivå som ligger bakom grafentillväxten.

"Jag hade sysslat med alla dessa olika tekniker för att odla grafen, och du ser aldrig en sådan uniform, slät yta."

Den nya tekniken utnyttjar ultrananokristallin diamant (UNCD), en syntetisk typ av diamant som Argonne-forskare har banat väg för genom år av forskning. UNCD fungerar som ett fysiskt substrat, eller yta som grafenet växer på, och källan till kolatomerna som utgör ett snabbt framställt grafenark.

"När jag först tittade på [svepelektronmikrografen] och såg den här fina uniformen, mycket komplett lager, det var fantastiskt, sa Diana Berman, studiens första författare och tidigare postdoktoral forskningsassistent som arbetade med Sumant och nu är biträdande professor vid University of North Texas. "Jag hade sysslat med alla dessa olika tekniker för att odla grafen, och du ser aldrig en sådan uniform, slät yta."

Nuvarande grafentillverkningsprotokoll introducerar föroreningar under själva etsningsprocessen, som involverar tillsats av syra och extra polymerer, och när de överförs till ett annat substrat för användning i elektronik.

"De föroreningar som introduceras under denna etsning och överföringssteget påverkar grafenens elektroniska egenskaper negativt, ", sa Sumant. "Så du får inte grafenens inneboende egenskaper när du faktiskt gör den här överföringen."

Teamet fann att enkelskiktet, endomän grafen kan odlas över mikronstora hål i sidled, gör dem helt fristående (det vill säga lösgörs från det underliggande substratet). Detta gör det möjligt att utnyttja grafens inneboende egenskaper genom att tillverka enheter direkt över fristående grafen.

Den nya processen är också mycket mer kostnadseffektiv än konventionella metoder baserade på att använda kiselkarbid som substrat. Sumant säger att 3- till 4-tums kiselkarbidskivorna som används i dessa typer av tillväxtmetoder kostar cirka 1 $, 200, medan UNCD-filmer på kiselwafers kostar mindre än $500 att göra.

Diamantmetoden tar också mindre än en minut att odla ett ark grafen, där den konventionella metoden tar i storleksordningen timmar.

Den höga kvaliteten på grafen bekräftades av UC Riversides medförfattare Zhong Yan och Alexander Balandin genom att tillverka top-gate fälteffekttransistorer från detta material och mäta dess elektronrörlighet och laddningsbärarkoncentration.

"Det är välkänt att vissa metaller, som nickel och järn, lösa upp diamant vid förhöjda temperaturer, och samma process har använts i många år för att polera diamanter, " sa Sumant. Han och hans team använde den här egenskapen för att använda nickel för att omvandla det översta lagret av diamant till amorft kol, men det var inte klart hur dessa frigjorda kolatomer omedelbart omvandlades till grafen av hög kvalitet.

Efter Sumants och Bermans första genombrott för att odla grafen direkt på UNCD, Sankaranarayanan och hans postdoktorer Badri Narayanan och Sanket Deshmukh, Beräkningsmaterialforskare vid CNM använde resurser vid Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) för att hjälpa teamet att bättre förstå mekanismen för tillväxtprocessen som ligger bakom detta intressanta fenomen med hjälp av reaktiva molekylära dynamiska simuleringar.

Datorsimuleringar utvecklade av Narayanan, Deshmukh och Sankaranarayanan visade att viss kristallografisk orientering av nickel-111 i hög grad gynnar kärnbildning, och efterföljande snabb tillväxt av grafen; detta bekräftades sedan experimentellt.

Dessa storskaliga simuleringar visade också hur grafen bildas. Nickelatomerna diffunderar in i diamanten och förstör dess kristallina ordning, medan kolatomer från detta amorfa fasta ämne rör sig till nickelytan och snabbt bildar bikakeliknande strukturer, vilket resulterar i mestadels defektfri grafen.

Nicklet sipprade sedan genom de fina kristallina kornen från UNCD, sjunker ur vägen och tar bort behovet av syra för att lösa bort överflödiga metallatomer från den övre ytan.

"Det är som att träffa en barmhärtig samarit på en okänd plats som hjälper dig, gör sitt jobb och går tyst utan spår, sa Sumant.

"Den bevisade förutsägelsekraften hos våra simuleringar placerar oss i en fördelaktig position för att möjliggöra snabb upptäckt av nya katalytiska legeringar som förmedlar tillväxt av högkvalitativt grafen på dielektrikum och går iväg på egen hand när tillväxten är klar, " tillade Narayanan.

Förutom nyttan för att göra minimalt defekta, applikationsfärdigt grafen för saker som lågfrekventa vibrationssensorer, radiofrekvenstransistorer och bättre elektroder för vattenrening, Berman och Sumant säger att Argonne-teamet redan har säkrat tre patent som härrör från deras nya grafentillväxtmetod.

Forskarna har redan inlett ett samarbete med Swedish Institute of Space Physics som involverar European Space Agency för deras Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) program för att utveckla grafenbelagda sonder som kan hjälpa utforskande fordon att känna av egenskaperna hos plasma som omger Jupiters månar.

Närmare hemmet, teamet har också tillverkat diamant- och grafennålar för forskare vid North Carolina University att använda i biosensing-applikationer.

Argonne-forskarna finjusterar nu processen – justerar temperaturen som används för att katalysera reaktionen och justerar tjockleken på diamantsubstratet och sammansättningen av metallfilmen som underlättar grafentillväxten – för att både optimera reaktionen och för att bättre studera fysik vid grafen-diamant-gränssnittet.

"Vi försöker justera detta mer noggrant för att få en bättre förståelse för vilka förhållanden som leder till vilken kvalitet av grafen vi ser, sa Berman.

Andra Argonne-författare som var involverade i studien var Alexander Zinovev och Daniel Rosenmann. Pappret, "Metal-inducerad snabb omvandling av diamant till enkel- och flerskiktsgrafen i waferskala, " publiceras i Naturkommunikation .