Storskaliga tillverkningsprocesser som syftar till att producera tvådimensionella material (2DM) för industriella tillämpningar bygger på en konkurrens mellan kvalitet och produktivitet. Den top-down mekaniska klyvningsmetoden tillåter rena och perfekta 2DMs, men de är ett svagt alternativ för storskalig tillverkning. I en ny rapport i Vetenskapens framsteg , Ji-Yun Moon och ett forskarteam inom energisystem, materialvetenskap, fysik och nanoarkitektonik i Storbritannien, Japan och Korea presenterade en lagerkonstruerad exfolieringsteknik för att erhålla storskalig grafen på upp till en millimeter med selektiv tjocklekskontroll. Med hjälp av detaljerad spektroskopi och analys av elektrontransportmätning, teamet stödde den föreslagna splittringsmekanismen (fragmenteringsmekanismen). Den lagerkonstruerade exfolieringsmetoden kommer att bana väg för att utveckla en industriell process för grafen och andra 2DM, för applikationer inom elektronik och optoelektronik.

Nya metoder för att få fram monolager grafen

Materialforskare separerade först framgångsrikt monolager grafen från tredimensionell (3-D) grafit med hjälp av top-down mekanisk exfoliering. Grafen är ett unikt material på grund av sin fysiska och kemiska sammansättning som har väckt stor uppmärksamhet för olika tillämpningar inom elektronik, optoelektronik och andra områden. I det här arbetet, Moon et al. introducerade en ny teknik som kallas lagerkonstruerad exfoliering (LEE) för att erhålla grafen med stor yta samtidigt som man kontrollerar det selektiva antalet grafenlager i installationen. För att åstadkomma detta, de avsatte en tunn film av guld (Au) på förklyvd grafit för att selektivt skala bort det översta monoskiktet av grafen. De justerade sedan gränsytsegheten hos grafen genom att deponera olika metallfilmer inklusive palladium (Pd), nickel (Ni) och kobolt (Co) för att erhålla grafen med stor yta med ett kontrollerat antal lager. Mekaniskt exfolierad grafen begränsas av sin storlek, kontroll av utbyte och tjocklek, som för närvarande inte lämpar sig för industriella tillämpningar. Forskare hade tidigare övervägt ångavsättning, men resultaten var inte enastående. Om en ny teknik kan övervinna konventionella metoder för exfoliering, forskare kommer att ha en attraktiv, alternativ syntetisk metod för att framställa grafen.

Forskarna använde spektroskopi och elektrontransportstudier för att bekräfta frånvaron av några inneboende defekter eller kemisk kontaminering i proverna som utvecklats med LEE-metoden. Exfolieringsmetoden är ett lovande tillvägagångssätt för att bygga stora 2D-heterostrukturer för kommersialisering. Under processen för exfoliering av grafitflingor, teamet böjde ytan med hjälp av en extern stressfaktor för att skapa en spricka vid domängränserna, som fortplantade sig längs metall-grafengränsytan för att orsaka exfoliering av stora ytor på grund av kvarvarande spänning. Till exempel, när teamet använde en guldfilm (Au) som stressfaktor, böjningsenergin mellan Au-grafen och grafen-grafen möjliggjorde separation av ett monolager utan fysiska defekter. Moon et al. kvantitativt analyserade storleken och densiteten av exfolierad monolagergrafen för att verifiera teknikens tillförlitlighet. Resultaten visade ett genomsnittligt område som nådde en 4, 200-faldig ökning jämfört med grafen exfolierad med konventionella metoder. LEE-metoden visade också bättre resultat jämfört med standard mekanisk exfoliering i förhållande till monoskiktets densitet. Metoden var reproducerbar och därför tillförlitlig för att exfoliera monolager grafen i ett kontrollerat tillvägagångssätt i labbet.

Karakteriserande LEE-grafen

Moon et al. genomförde Raman-spektroskopimätningar på LEE-grafen för att stödja deras föreslagna mekanism för fragmentering, som var känslig för stressinducerad spjälkning (fragmentering) av grafen. Resultaten specificerade hur dragpåkänningen släpptes under LEE-processen när grafen lyftes för att återvinna den orörda egenskapen hos normalt exfolierat grafen. Med hjälp av ytterligare spektroskopi och mikroskopistudier, teamet bekräftade kvaliteten på LEE-grafen. Till exempel, atomic force microscopy (AFM) mätningar visade inga anmärkningsvärda fysiska defekter på grafenytan, som sprickor, veck eller rivning. Som ett resultat, de erkände att metallfilmen effektivt skyddade grafenytan från organiska rester under LEE-processen.

Elektrontransportegenskaper i LEE-grafen

Forskarna korskontrollerade kvaliteten på LEE-grafen, vilket framgår av spektroskopi och mikroskopiresultat genom att utföra elektrontransportmätningar på monolagergrafenanordningen. De åstadkom detta genom att kapsla in grafen mellan defektfria hexagonala bornitrid (hBN) kristaller. hBN gav en platt och ren yta för grafen och skyddade materialet mot kontaminering efter exfoliering. Det potentiella fluktuationsvärdet för grafenanordningen liknade en tillräckligt exfolierad grafenanordning i tidigare arbete, demonstrerar noggrannheten hos den enhet som utvecklats i detta arbete. Teamet beräknade elektronrörligheten (µ) för enheten vid 300 K, som överträffade storleken som rapporterats för en grafenenhet i tidigare arbete, samtidigt som den matchar rörligheten hos en grafenenhet som utvecklats med standardexfolieringsmetoden någon annanstans. Arbetet visade därför att LEE-tekniken inte försämrade kvaliteten på grafen.

På det här sättet, Ji-Yun Moon och kollegor använde och granskade LEE-metoden (layer-engineered exfoliation) för att erhålla högdensitetsgrafen med en utomordentligt stor yta från naturlig grafit. För att åstadkomma detta, de använde olika metalldeponeringstekniker för att kontrollera fragmenteringsdjupet och producera lagerkonstruerad grafen i stor skala. Den nya metoden avvek från standardmetoden för exfoliering, som bara tillät en enda skalningsprocess. Forskarna fick grafen med stor yta från samma grafitflaka genom att upprepa avsättnings- och rivningsprocessen för metallfilmen. Arbetet visade hur lagerkonstruerad grafen kan exfolieras över ett stort område, banar väg för storskalig tillverkning för framtida industriella tillämpningar av 2D-heterostrukturer.

© 2020 Science X Network