En ny metod för att producera stora, monoskiktiga enkristallliknande grafenfilmer mer än en fot lång är beroende av att utnyttja en "överlevnad för de starkaste" tävlingen bland kristaller. Den nya tekniken, utvecklat av ett team ledd av Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, kan öppna nya möjligheter för att odla de högkvalitativa tvådimensionella material som är nödvändiga för efterlängtade praktiska tillämpningar.

Att göra tunna lager av grafen och andra 2D-material i en skala som krävs för forskningsändamål är vanligt, men de måste tillverkas i mycket större skala för att vara användbara.

Grafen är hyllad för sin potential av oöverträffad styrka och hög elektrisk ledningsförmåga och kan tillverkas genom välkända metoder:separera grafitflingor – det silverfärgade mjuka materialet som finns i pennor – till en atomtjocka lager, eller odla den atom för atom på en katalysator från en gasformig föregångare tills ultratunna lager bildas.

Det ORNL-ledda forskarlaget använde den senare metoden - känd som kemisk ångavsättning, eller CVD – men med en twist. I en studie publicerad i Naturmaterial , de förklarade hur lokal kontroll av CVD -processen möjliggör evolutionär, eller självval, tillväxt under optimala förhållanden, ger en stor, enkristallliknande ark av grafen.

"Stora enkristaller är mer mekaniskt robusta och kan ha högre ledningsförmåga, " ORNL ledande medförfattare Ivan Vlassiouk sa. "Detta beror på att svagheter som uppstår från sammankopplingar mellan individuella domäner i polykristallint grafen elimineras."

"Vår metod kan vara nyckeln inte bara till att förbättra storskalig produktion av enkristallgrafen utan även till andra 2D-material, vilket är nödvändigt för deras storskaliga tillämpningar, " han lade till.

Ungefär som traditionella CVD -metoder för att producera grafen, forskarna sprayade en gasblandning av kolväteprekursormolekyler på en metallisk, polykristallin folie. Dock, de kontrollerade noggrant den lokala avsättningen av kolvätemolekylerna, att föra dem direkt till kanten av den framväxande grafenfilmen. När substratet rörde sig under, kolatomerna samlas kontinuerligt som en enda kristall av grafen upp till en fot lång.

"Den obehindrade enkristallliknande grafentillväxten kan gå nästan kontinuerligt, som en roll-to-roll och bortom de fotlånga proverna som visas här, sa Sergej Smirnov, medförfattare och professor i New Mexico State University.

När kolvätena berör den heta katalysatorfolien, de bildar kluster av kolatomer som växer över tiden till större domäner tills de koalescerar för att täcka hela substratet. Teamet fann tidigare att vid tillräckligt höga temperaturer, kolatomerna i grafen korrelerade inte, eller spegel, substratets atomer, möjliggör icke-epitaxiell kristallin tillväxt.

Eftersom koncentrationen av gasblandningen starkt påverkar hur snabbt enkristallen växer, tillförsel av kolväteprekursorn nära den befintliga kanten av enstaka grafenkristall kan främja dess tillväxt mer effektivt än bildandet av nya kluster.

"I en så kontrollerad miljö, den snabbast växande orienteringen av grafenkristaller överväldigar de andra och blir 'evolutionärt utvald' till en enda kristall, även på ett polykristallint substrat, utan att behöva matcha substratets orientering, vilket vanligtvis sker med vanlig epitaxiell tillväxt, Sa Smirnov.

De fann att för att säkerställa optimal tillväxt, det var nödvändigt att skapa en "vind" som hjälper till att eliminera klusterformationerna. "Det var absolut nödvändigt att vi skapar en miljö där bildandet av nya kluster före tillväxtfronten helt undertrycktes, och förstoringen av den växande kanten av den stora grafenkristallen hindrades inte, " sa Vlassiouk. "Då, och först då, ingenting står i vägen för den "starkaste" kristallina tillväxten när substratet rör sig. "

Teamets teoretiker, ledd av medförfattaren Rice University professor Boris Yakobson, tillhandahållit en modell som förklarar vilka kristallorienteringar som har de unika egenskaperna som gör dem bäst i flykten för överlevnad, och varför valet av en vinnare kan bero på substratet och prekursorerna.

"Om grafen eller något 2D-material någonsin avancerar till industriell skala, detta tillvägagångssätt kommer att vara avgörande, liknar Czochralskis metod för kisel." Yakobson sa. "Tillverkare kan vara säkra på att när en stor, rålager i waferstorlek skärs för alla tillverkningsenheter, varje resulterande bit kommer att vara en monokristall av hög kvalitet. Denna potentiellt enorma, en effektfull roll motiverar oss att utforska teoretiska principer för att vara så tydliga som möjligt."

Praktisk uppskalning av grafen med hjälp av teamets metod återstår att se, men forskarna tror att deras evolutionära urval enkristalltillväxtmetod också kan tillämpas på lovande alternativa 2D-material som bornitrid, även känd som "vit grafen, " och molybdendisulfid.