Med hjälp av en ny teknik erhöll forskare en enkristallkärna av koppar Cu(111) vid den avsmalnande änden av folien som gradvis expanderade till foliens hela längd på flera minuter (b). Denna enkristall kopparfolie användes som ett substrat för att odla grafen på dess yta. Processen för grafenkristallisation började med små sexkantiga öar av grafenkristaller, som växte till att täcka hela ytan (c, från vänster till höger). De streckade lila linjerna (c) visar att de hexagonala grafenöarna är parallella med varandra:en nyckelaspekt för framgången med kristalliseringsprocessen. Kredit:IBS, Pekings universitet
Tack vare dess ledningsförmåga, styrka och smidighet, grafen anses vara en av de mest troliga ersättningarna för kisel och andra material. Dock, det har ännu inte resulterat i industriella tillämpningar. Enkristallgrafen av hög kvalitet kan endast produceras i mängder på ett par millimeter till bara centimeter stora. Nyligen, ett team ledd av prof. Feng Ding och prof. Rodney Ruoff med Institutet för grundvetenskap (IBS), Prof. Kaihui Liu vid Peking University, och deras medarbetare rapporterade syntesen av ett stort ark av monolager enkristallgrafen. Detta resultat möjliggör ett steg framåt i grafenproduktionen till en optimerad metod för att tillverka en nästan perfekt (> 99,9 % justerad) 5 × 50 cm 2 enkristallgrafen på bara 20 minuter. Dessutom, de låga produktionskostnaderna, jämförbar med kommersiellt tillgängliga polykristallina grafenfilmer av lägre kvalitet, skulle kunna utöka dess användbarhet. Detaljerad i Science Bulletin , Metoden förväntas stimulera ytterligare grundläggande arbete med grafen och relaterade material, inklusive storskalig vikning av grafenark, liknande papper, skapa origami-liknande eller kirigami-liknande former som kan appliceras på framtida flexibla kretsar.
Enkristallgrafen är ett bikakeformat monolager av kolatomer, enhetlig genom hela materialet Å andra sidan, polykristallint grafen bildas av slumpmässigt orienterade grafenöar, vilket minskar dess kvalitet. För närvarande, forskare kan odla meterstor polykristallin grafen och mindre enkristallgrafen, från 0,01 mm 2 till några cm 2 . Syntesen av stor enkristallgrafen till en låg kostnad är ett kritiskt mål för grafensyntesen. I den här studien, grafen odlas på ytan av en 5 × 50 cm 2 kopparfolie, som omvandlades till en enkristallig kopparfolie genom uppvärmning till ~ 1, 030°. Temperaturlutningen från varmt till kallt flyttade den så kallade korngränsen framåt, skapa en perfekt enkristall. I värme- och kylbehandlingen, kopparatomer migrerar inuti materialet, ordnas i en ordnad struktur med färre defekter. "Hemligheten med att få enkristallgrafen i stora storlekar är att ha en perfekt enkristallkoppar som bas till att börja med. Stor enkristallkopparfolie är inte kommersiellt tillgänglig, så labb måste bygga det med sina egna medel, " förklarar Feng Ding, gruppledare på Center for Multidimensional Carbon Materials.
Sedan, via en annan teknik som kallas kemisk ångavsättning, miljontals parallella grafenöar bildas på kopparfoliens yta. När fler kolatomer avsätts på folien, öarna växer tills de förenas och bildar ett nästan perfekt enkristalligt grafenskikt som täcker hela den tillgängliga ytan.
Tre iPhones är placerade i närheten som referens. Kredit:IBS
För att optimera tekniken, teamet var tvungen att överväga fyra tekniska utmaningar:(i) beredning av enkristall kopparfolie på ett mycket stort område, (ii) uppnå en hög grad av anpassning av grafenöarna efter deras kärnbildning och tillväxt, (iii) sömlöst sy ihop grafenöarna till en enda kristall genom ytterligare tillväxt och (iv) den snabba tillväxten av enkristallgrafen. Även om tidigare rapporter har tagit upp några av ovanstående utmaningar, denna studie övervann dem alla och gjorde syntesen av meterstor enkristallgrafen möjlig. Graden av de felinriktade grafenöarna är mindre än 0,1 procent, uppgår till försumbara defekter och spannmålsgränser i produkterna.
Det nuvarande resultatet begränsades endast av storleken på kopparfolien och, i princip, både storleken på kopparfolien och grafenfilmen kan vara obegränsad. Dessutom, med tanke på den mycket korta tiden för grafensyntes (20 minuter) och den relativt billiga experimentella inställningen, Priset på en enkristall (eller nästan enkristall) grafen kan vara nära priset på nuvarande polykristallina grafenfilmer.
"Många forskares dröm är att ersätta kisel, "säger Ding." Nu, vi undersöker vilket som är det bästa materialet för att odla grafen ovanpå, och hur man använder koppar som substrat för andra intressanta 2D-material."
