Figur 1. Beredning och karakterisering av Cu/Ni (111) folier. (a) Schematisk framställning av Cu/Ni (111) folierna visar att Ni filmer är galvaniserade på båda sidor av en Cu (111) folie, som följs av uppvärmning i en kemisk ångavsättningskammare vid 1050 oC i 5-7 timmar för att erhålla Cu/Ni (111) folien. Genom att kontrollera koncentrationen av nickel (Ni), IBS -forskare kan få grafen med två lager och tre lager med önskad staplingsordning och stort område. (b) Ett fotografi av en bit Cu/Ni (111) legeringsfolie (3 cm × 5 cm i storlek). (c) Röntgenmönster taget från olika regioner över hela provet (3 cm × 5 cm). (d) Elektronbackspridningsdiffraktionskarta som indikerar enhetlig (111) orientering av de beredda Cu -folierna. Kredit:Institute for Basic Science
Forskare vid Centrum för flerdimensionella kolmaterial (CMCM) inom Institute for Basic Science (IBS, Sydkorea) har rapporterat i Naturnanoteknik tillverkning och användning av enkristalliga koppar-nickellegeringsfoliesubstrat för tillväxt av stora ytor, enkristalliga tvåskikts- och trelageriga grafenfilmer.
Tillväxten av grafenfilmer med stora ytor med ett exakt kontrollerat antal lager och staplingsorder kan öppna nya möjligheter inom elektronik och fotonik men är fortfarande en utmaning. Denna studie visade det första exemplet på syntesen av två- och tre lager grafenark större än en centimeter, med lager staplade på ett specifikt sätt, nämligen AB- och ABA-stapling.
"Detta arbete ger material för tillverkning av grafenenheter med nya funktioner som ännu inte har realiserats och som kan ge nya fotoniska och optoelektroniska och andra egenskaper, "förklarar Rodney S. Ruoff, CMCM -chef, Framstående professor vid Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) och ledande författare till denna studie. Medförfattare och professor Won Jong Yoo vid Sungkyunkwan University noterar att "detta banar väg för studiet av nya elektriska transportegenskaper för två- och trelagersgrafen."
Till exempel, samma IBS -forskargrupp och samarbetspartners publicerade nyligen en annan uppsats i Naturnanoteknik visar konvertering av AB-staplad tvålagers grafenfilm, odlas på koppar/nickel (111) legeringsfolier (Cu/Ni (111) folier), till ett diamantliknande ark, känd som diaman. Medförfattaren Pavel V. Bakharev noterar att:"För mindre än ett år sedan, vi producerade fluorerat diamantmonoskikt, F-diaman, genom fluorering av exakt de AB-staplade dubbelskiktade grafenfilmer som beskrivs i detta nya papper. Nu ger möjligheten att producera tvålagers grafen av större storlek förnyad spänning och visar hur snabbt detta område utvecklas. "
Figur 2. Mätning av grafenskikttjocklek. (a) Ramans spektra av monoskikt, AB-staplade tvåskikt och ABA-staplade tre lager grafen överförda till SiO2/Si-substrat. Frånvaron av D-toppar (vid 1350 cm-1) visar den höga kvaliteten på dessa grafenark. (b) Lorentzian passform av 2D -topparna för monoskikt, AB-staplade tvåskikt och ABA-staplade trilager grafenfilmer. (c-k) Optiska bilder och Raman-kartor över tvåskiktsöar, en kontinuerlig tvåskiktsfilm, och en trelager grafenfilm. Kartornas enhetlighet indikerar att tvåskiktsöarna är AB-staplade och enkristall. Enskiktsregionerna är gröna, och flerskiktsregionerna röda. Att öka tillväxttiden förvandlar tvåskiktsöarna (c, d, e) i en nästan kontinuerlig tvålagers grafenfilm (f, g, h). Kredit:Institute for Basic Science
Rätt val av substrat är avgörande för korrekt tillväxt av grafen. Folier gjorda endast av koppar begränsar tillväxten av tvåskiktsgrafen och gynnar enhetlig monoskiktstillväxt. Det är möjligt att få flerlagers grafenark på nickelfilm, men dessa är inte enhetliga, och tenderar att ha små "fläckar" med olika tjocklekar. Till sist, de kommersiellt tillgängliga folierna som innehåller både nickel och koppar är inte idealiska. Därför, IBS-forskare förberedde 'hemgjorda' enkristalliga Cu/Ni (111) folier med önskade egenskaper, bygga vidare på en teknik som rapporterats av gruppen i Vetenskap år 2018. Nickelfilmer galvaniseras på koppar (111) -folier så att nickel och koppar interfererar vid uppvärmning och ger en ny enkristallfolie som innehåller båda elementen med justerbara förhållanden. Ruoff föreslog denna metod och övervakade Ming Huangs utvärderingar av de bästa koncentrationerna av nickel för att få enhetliga grafenark med önskat antal lager.
IBS-forskare odlade två- och treskikts grafenark på Cu/Ni (111) folier genom kemisk ångavsättning (CVD). Huang uppnådde AB-staplade tvålagers grafenfilmer på flera kvadratcentimeter, täcker 95 procent av substratytan, och ABA-staplat trilager grafen med mer än 60 procent areal täckning. Detta representerar den första tillväxten av högtäckande ABA-staplat trelager grafen över ett stort område och den bästa kvaliteten som har erhållits för AB-staplade tvålagers grafen hittills.
Förutom omfattande spektroskopiska och mikroskopiska karakteriseringar, forskarna mätte också den elektriska transporten (bärarmobilitet och bandavståndsinställning) och värmeledningsförmågan hos den nysyntetiserade grafen. De centimeters skaliga grafenfilmerna visade god värmeledningsförmåga, så högt som ~ 2300 W/mK (jämförbart med exfolierade tvålagers grafenflingor), och mekanisk prestanda (styvhet på 478 gigapascal för Youngs modul, och 3,31 gigapascal för brottstyrkan).
Teamet undersökte sedan tillväxtstaplingsmekanismen och upptäckte att den följer den så kallade "inverterade bröllopstårtan" -sekvensen när de nedre lagren är placerade efter den översta. "Vi visade med tre oberoende metoder att det andra lagret för tvålagers grafen, och det andra och tredje lagret av trilagerarket växer under ett kontinuerligt toppskikt. Dessa metoder kan vidare användas för att studera strukturen och staplingssekvensen för andra 2-D tunnfilmsmaterial, "konstaterar Huang.
Ruoff noterar att dessa tekniker för att syntetisera och testa storskaliga ultratunna filmer kan stimulera världsomspännande intresse för att experimentera vidare med enkristalliga Cu/Ni-legeringsfolier, och även när det gäller att utforska tillverkning och användning av andra enkelkristalllegerade folier.
