Elektronikindustrin kan se väldigt annorlunda ut idag om det inte vore för den dramatiska kostnadsminskningen för högkvalitativa enkristallina kiselwafers under de senaste fem decennierna. Så vad skulle hända om kostnaden för enkristallin grafen tog ett liknande betydande steg? Resultat rapporterade i ACS Nano kan föra detta närmare verkligheten, eftersom de visar att enkristallint grafen kan växa på en bråkdel av den vanliga tiden och med mycket billigare polykristallina substrat än vad som vanligtvis behövs.

Kostnaderna för att producera grafen har redan sjunkit avsevärt under de senaste 20 åren från hundratusentals dollar per kilo till mindre än 50 dollar. Dock, att utnyttja materialets elektroniska egenskaper ställer mycket högre krav på kristallkvaliteten – korngränser, Defekter och dislokationer stör alla materialets elektroniska beteende – så att prislappen för grafen av elektronikkvalitet förblir hög.

Kemisk ångavsättning är bland de mest populära metoderna för att odla grafen av god kvalitet, men defekter är oundvikliga. Att mixtra med parametrarna under tillväxt så att inga ytterligare kärnbildningsställen bildas kan främja tillväxten av enkristallin grafen, så småningom. Dock, den långa tid denna tillväxt tar gör den kostsam. Andra tillvägagångssätt inkluderar tillväxt på ett enkristallint katalytiskt substrat, men dessa substrat är dyrare, återigen höja kostnaden.

Istället, Dongmok Whang vid Sungkyunkwan University Advanced Institute of Nanotechnology och Jae-Hyun Lee vid Ajou University och deras kollegor har tagit lite enkristallgrafen och överfört delar av det på ett polykristallint substrat. De visar i sin rapport att genom att sedan odla bitarna på de polykristallina metallerna kan de gå ihop. Eftersom de alla har överförts från samma prov, kristallgittret för varje del är orienterat i samma riktning, lämnar inga korngränser. "Om syntestemperaturen, gas som används, etc. antas vara liknande, den termiska budgeten och priset på substratet kan sägas minska till en fjärdedel, " förklarar Lee.

Sömlös tillväxt

Lee förklarar att de kom på idén efter att en preliminär litteraturundersökning visade att energin som krävs för att odla grafen från kanten av grafenfröet är teoretiskt lägre än energin som krävs för kärnbildning av nya grafenfrön. "Med andra ord, man trodde att ytterligare kärnbildning lätt kunde undertryckas vid lägre energiförhållanden (t.ex. låg koncentration av prekursor eller låg tillväxttemperatur)."

Whang och Lee och kollegor hade också ett försprång för att få processen att fungera. Deras seedade tillväxtprocess är beroende av tillgång till enkristallgrafen med stor yta, som de hade goda erfarenheter av att odla. Dessutom, de behövde en teknik som var kapabel att rent överföra de inriktade fröna till noggrant åtskilda och inriktade positioner på det polykristallina substratet. Lyckligtvis, de hade också tidigare visat att när man odlade grafen på en viss aspekt av enkristallint germanium — Ge(110) — bildades ett väteskikt i gränsytan mellan grafen och substrat, gör det lättare att överföra.

Även med överföring från Ge(110), defekter smyger sig oundvikligen in, men forskarna kunde också visa att genom att minska metanet under en period under tillväxten, etsningshastigheten kunde överstiga tillväxthastigheten så att befintliga defekter kunde etsas bort.

Grafen av elektronisk kvalitet

För att avgöra vilken fröstorlek och -avstånd som skulle fungera bäst, Whang och Lee och kollegor beräknade diffusionslängden för de använda temperaturerna och prekursorkoncentrationerna. De skar "frön" 10 μm breda från sitt ursprungliga enkristallina grafenprov och överförde dem till polykristallin platina med ett avstånd på 50 μm från varandra. Här, de odlade enkristallin grafen för att täcka en yta på 2 cm x 2 cm." Det var svårt att växa till större storlekar på grund av begränsningarna i vårt CVD-system, " säger Lee. "Men vi tror att vårt tillvägagångssätt kan tillämpas fullt ut på stora katalysatorsubstrat."

Polykristallin platina är inte bara mycket billigare utan de kan återvinna substratet utan att skada kvaliteten på den resulterande enkristallina grafenen så att den kostar runt 100 dollar per cm ² av substrat istället för $2000. De förväntar sig att om de kan odla de överförda fröna på polykristallin koppar- eller aluminiumfolie, de kommer att kunna sänka kostnaderna ytterligare.

Forskarna testade de elektroniska egenskaperna hos grafen som odlats från överförda frön genom att konstruera fälteffekttransistorenheter som gränsar platsen för två överförda frön. Jämförelser av elektronrörligheten visade ingen märkbar minskning i rörlighet där de överförda fröna förenades, ger 11, 811 V cm ^-1 s ^-1 för vänster korn, 10, 844 för höger och 11, 063 V cm ^-1 s ^-1 mellan dem.

Andra 2D-material?

Forskarna provade idén med grafen eftersom dess tillväxtbeteende är väl förstått, och i synnerhet den är bara gjord av en atomtyp, kol, vilket förenklar processen. De skulle vilja tillämpa metoden på 2D-material, men skulle behöva undersöka hur de hanterar de olika prekursorerna för icke-elementära 2D-material.

"Det finns många variabler att ta hänsyn till på grund av olika löslighet och diffusionshastigheter för varje element i katalysatorn, " säger Lee. "Men, om vi använder en process som sekventiellt reagerar en prekursor och en annan prekursor, såsom en atomskiktsdeposition (ALD) process, som kan förenkla processparametrar, det skulle kunna vara möjligt att odla ett enda kristallint monolager av olika 2D-material."

© 2020 Science X Network