Ett team av forskare under ledning av direktör Rod Ruoff vid Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) inom Institute for Basic Science (IBS), inklusive doktorander vid Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), har uppnått tillväxt och karaktärisering av stort område, enkristallgrafen som inte har några rynkor, veck, eller adlayers. Det kan vara den mest perfekta grafen som har odlats och karakteriserats hittills. Forskningen har publicerats i tidskriften Natur .

Direktör Ruoff säger, "Detta banbrytande genombrott berodde på många bidragande faktorer, inklusive mänsklig uppfinningsrikedom och CMCM-forskarnas förmåga att reproducerbart tillverka enkristall Cu-Ni(111)-folier med stor yta, på vilken grafenen odlades genom kemisk ångavsättning (CVD) med en blandning av eten med väte i en ström av argongas." Student Meihui Wang, Dr Ming Huang, och Dr Da Luo tillsammans med Ruoff genomförde en serie experiment med att odla enkristall- och enskiktsgrafen på sådana "hemgjorda" Cu-Ni(111)-folier under olika temperaturer.

Teamet hade tidigare rapporterat enkristall- och adlayer-fria filmer av grafen som odlades med metan vid temperaturer på ~1320 Kelvin (K) grader på Cu(111)-folier. Adlayers hänvisar till små "öar" av regioner som har ytterligare ett lager av grafen närvarande. Dock, dessa filmer innehöll alltid långa "veck" som är följden av höga rynkor som bildas när grafenet kyls från tillväxttemperaturen ner till rumstemperatur. Detta resulterar i en oönskad minskning av prestandan hos grafenfälteffekttransistorn (GFET) om "vecket" är i det aktiva området av GFET. Viken innehåller även "sprickor" som sänker grafenens mekaniska hållfasthet.

Nästa spännande utmaning var alltså att eliminera dessa veck.

CMCM-forskare implementerade först en serie "cyklande" experiment som involverade "cykling" av temperaturen omedelbart efter att grafenen odlats vid 1320 K. Dessa experiment visade att vecken bildas vid eller över 1, 020 K under kylningsprocessen. Efter att ha lärt sig detta, teamet bestämde sig för att odla grafen på Cu-Ni(111)-folier vid flera olika temperaturer runt 1, 020 K, vilket ledde till upptäckten att ett stort område, hög kvalitet, vikfritt, och adlayer-fria enkristallgrafenfilmer kan odlas i ett temperaturintervall mellan 1, 000 K och 1, 030 K. "Denna vikfria grafenfilm bildas som en enda kristall över hela tillväxtsubstratet eftersom den visar en enda orientering över ett stort område lågenergielektrondiffraktion (LEED) mönster, " noterade SEONG Won Kyung, en senior forskare i CMCM som installerade LEED-utrustningen i centrum. GFET:er mönstrades sedan på denna enkristall-vikfria grafen i en mängd olika riktningar av UNIST-studenten Yunqing Li. Dessa GFET:er visade anmärkningsvärt likformig prestanda med genomsnittliga elektron- och hålrörligheter i rumstemperatur på 7,0 ± 1,0 × 10 ³ centimeter ² V ^-1 s ^-1 .

Li säger, "En sådan anmärkningsvärt enhetlig prestanda är möjlig eftersom den vikfria grafenfilmen är en enda kristall utan i princip inga brister."

Viktigt, forskargruppen kunde uppnå "uppskalning" av grafenproduktionen med denna metod. Grafenen odlades framgångsrikt på 5 folier (dimension 4 cm x 7 cm) samtidigt i en hemmabyggd kvartsugn med en diameter på 6 tum. "Vår metod att odla vikfria grafenfilmer är mycket reproducerbar, med varje folie som ger två identiska bitar av högkvalitativ grafenfilm på båda sidor av folien, " och "Genom att använda den elektrokemiska bubblingsöverföringsmetoden, grafen kan delamineras på ungefär en minut och Cu-Ni(111)-folien kan snabbt förberedas för nästa tillväxt-/överföringscykel, " noterar Meihui Wang. Ming Huang tillägger, "När vi testade viktminskningen av Cu-Ni(111)-folier efter fem körningar av tillväxt och överföringar, nettoförlusten var endast 0,0001 gram. Detta innebär att våra tillväxt- och överföringsmetoder med Cu-Ni(111) kan utföras upprepade gånger, i princip på obestämd tid."

I processen att uppnå vikfri enkristallgrafen, forskarna upptäckte också orsakerna bakom bildandet av dessa veck. Högupplöst TEM-avbildning utfördes av studenten CHOE Myeonggi och Prof. LEE Zonghoon (en gruppledare i CMCM och professor vid UNIST) för att observera tvärsnitten av proverna odlade över 1, 040 K. De upptäckte att deadhesion, som är orsaken till vecken, initieras vid "buntstegskant"-områdena mellan enkristall Cu-Ni(111)-platåerna. "Denna deadhesion vid de buntade stegkantsområdena utlöser bildandet av grafenveck vinkelrätt mot stegkantens riktning, " noterade medkorresponderande författare Luo. Ruoff noterar vidare att "Vi upptäckte att stegsamling av en Cu-Ni(111) folieyta plötsligt inträffar vid ungefär 1, 030 K, och denna "ytrekonstruktion" är anledningen till att den kritiska tillväxttemperaturen för vikfritt grafen är ~1, 030 K eller lägre."

En sådan vikfri enkristallgrafenfilm med stor yta möjliggör enkel tillverkning av integrerade högpresterande enheter orienterade i vilken riktning som helst över hela grafenfilmen. Dessa enkristall-grafenfilmer kommer att vara viktiga för ytterligare framsteg inom grundläggande vetenskap, vilket kommer att leda till nya ansökningar i elektroniska, fotonisk, mekanisk, termisk, och andra områden. Den nästan perfekta grafenen är också användbar för stapling, antingen med sig själv och/eller med andra 2D-material, för att ytterligare utöka utbudet av troliga tillämpningar. Med tanke på att Cu-Ni(111)-folierna kan användas upprepade gånger och att grafenet kan överföras till andra substrat på mindre än en minut, den skalbara tillverkningen med denna process är också mycket lovande.