Ett internationellt team av forskare, ledd av den framstående professor Rodney S. Ruoff (School of Natural Sciences) från Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM), inom Institutet för grundvetenskap (IBS) vid UNIST, har rapporterat ett verkligt enda lager (dvs. lagerfri) grafenfilm med stor yta på kopparfolier med stor yta. Detta kan tyckas vara den senaste i en serie av till synes liknande deklarationer om grafen med ett lager. Dock, denna prestation skiljer sig från andra tusentals tidigare publikationer genom att ingen av dem hade beskrivit verkligt enskiktsgrafen över stor yta. Adlayer (dubbelskikts- eller flerskiktsregioner) har alltid funnits i sådana filmer.

Forskarna förfinade tillväxtmetoden för kemisk ångdeposition (CVD) genom att eliminera alla kolföroreningar inuti kopparfolierna som grafen odlas på. CVD på metallfolier (särskilt kopparfolier) är för närvarande den mest lovande vägen för skalbar och reproducerbar syntes av storarea grafenfilmer av hög kvalitet. Teamet undersökte varför "adlayers" dök upp i grafenfilmen som odlades på kopparfolier och fann att kolföroreningarna inuti folien direkt leder till kärnbildning och tillväxt av adlayers. (Adlayers är områden i filmen där det finns 2 lager eller 3 lager – flerlagers "lappar, " det är.)

"Vi upptäckte att de kommersiella kopparfolierna har "överskott av kol", särskilt nära ytan - till ett djup av cirka 300 nm, genom att använda time-of-flight sekundär jonmasspektrometri och förbränningsanalys. Från en diskussion med en teknisk expert i Jiangxi Copper Corporation Limited, en av världens största leverantörer av kopparfolier, vi lärde oss att kolet är inbäddat i kopparfolien under tillverkningen, troligen från kolvätebaserade oljor som används för att smörja rullar som kopparfolien kommer i kontakt med vid höga rullningstemperaturer, sa Dr Da Luo, artikelns första författare. Efter fullständigt avlägsnande av detta kol genom glödgning under H2 vid 1060 °C, de kunde uppnå adlayer-fri och därmed verkligt enskiktsgrafenfilm.

Genom att tillämpa samma metod, IBS-forskarna fick också en adlayer-fri enkellager och enkristallgrafenfilm på en enkristall Cu-folie. En av de första författarna Meihui Wang förklarade, "Vi löste alltså två problem som ständigt har funnits i tidigare synteser av CVD-grafenfilmer (adlayers och korngränser (GBs)) på en gång." Verkligen, uppnå perfekt enhetlighet i antalet lager över en stor yta (enkla eller dubbla lager, till exempel) kan användas för att säkerställa enhetlig prestanda. Adlayer-regioner skiljer sig åt i, t.ex., densitet och storlek när de finns i enheternas aktiva regioner. Förutom adlayers, GB finns i polykristallina grafenfilmer framställda av CVD där grafenöar med olika kristallografiska orienteringar går samman för att fullborda filmen. Närvaron av GB sänker bärarrörlighet och värmeledningsförmåga, och minskar den mekaniska styrkan.

Fortfarande, forskarna lämnades med en fascinerande egenskap i sina enkristallfilmer:Denna enkristallgrafen innehåller mycket orienterade parallella "veck" som är centimeter långa, ungefär hundra nanometer i bredd, och separerade med 20 till 50 mikrometer. Precis som adlayers och GBs, veck observerades signifikant minska bärarrörligheten för grafen. För att eliminera sådana spridningseffekter av förlängningar, GBs och veck, de lagmönstrade fälteffekttransistorerna i området som ligger mellan två intilliggande veck och med transistorerna parallella med vecken. Till skillnad från veck som är nästan slumpmässigt fördelade i den polykristallina grafenfilmen, vecken är högt inriktade i den stora ytan av enkristallgrafenfilmen. Detta gör det enkelt att tillverka integrerade högpresterande enheter från områdena mellan vecken. Wang förklarade, "Området mellan två intilliggande veck är 'rent' utan några veck, adlayers, eller GBs. Detta gjorde det möjligt för enheten att ha mycket hög elektron- och hålrörlighet. Fälteffekttransistorerna visar mycket höga rumstemperaturbärarmobilitetsvärden på cirka 1,0 x 10 ⁴ centimeter ² V ^-1 s ^-1 . Sådan hög bärarmobilitet "översätts" till olika användbara anordningar med hög prestanda."

Direktör Ruoff noterade, "Vårt tillvägagångssätt för stor yta adlayer-fri enkristallgrafen är ett genombrott. Denna uniform, "perfekt" enkla lager, enkristallgrafen förväntas finna användning som ett ultratunt stödmaterial för högupplöst transmissionselektronmikroskopi, och i optiska enheter. Också som en lämplig grafen för att uppnå extremt enhetlig funktionalisering som leder till många andra applikationer, speciellt för sensorer av olika slag. Jag skulle också vilja notera att vi uppskattade de starka bidragen från medförfattare från UNIST, från HKUST, och från SKKU." Denna forskning stöddes av Institutet för grundläggande vetenskap, och har publicerats i tidskriften, Avancerade material.