Grafen har kallats "det 21:a århundradets undermaterial". Sedan upptäckten 2004 har materialet - ett enda lager av kolatomer - hyllats för sin mängd unika egenskaper, som inkluderar ultrahög elektrisk ledningsförmåga och anmärkningsvärd draghållfasthet. Den har potential att transformera elektronik, energilagring, sensorer, biomedicinsk utrustning och mer. Men grafen har haft en smutsig liten hemlighet:det är smutsigt.
Nu är ingenjörer vid Columbia University och kollegor vid University of Montreal och National Institute of Standards and Technology redo att städa upp saker med en syrefri kemisk ångavsättningsmetod (OF-CVD) som kan skapa grafenprover av hög kvalitet på skala.
Deras arbete, publicerat 29 maj i Nature, visar direkt hur syrespår påverkar tillväxthastigheten för grafen och identifierar kopplingen mellan syre och grafenkvalitet för första gången.
"Vi visar att att eliminera praktiskt taget allt syre från tillväxtprocessen är nyckeln till att uppnå reproducerbar, högkvalitativ CVD-grafensyntes", säger seniorförfattaren James Hone, Wang Fong-Jen professor i maskinteknik vid Columbia Engineering. "Detta är en milstolpe mot storskalig produktion av grafen."
Grafen har historiskt syntetiserats på ett av två sätt. Det finns "scotch-tejp"-metoden, där enskilda lager skalas från ett bulkprov av grafit (samma material som du hittar i blyertspenna) med hjälp av hushållstejp.
Sådana exfolierade prover kan vara ganska rena och fria från föroreningar som annars skulle störa grafens önskvärda egenskaper. Men de tenderar att vara för små – bara några tiotals mikrometer tvärs över – för tillämpningar i industriell skala och därmed bättre lämpade för laboratorieforskning.
För att gå från laboratorieutforskningar till verkliga tillämpningar utvecklade forskare en metod för att syntetisera storarea grafen för cirka 15 år sedan. Denna process, känd som CVD-tillväxt, passerar en kolinnehållande gas, såsom metan, över en kopparyta vid en temperatur som är tillräckligt hög (cirka 1 000°C) för att metanet bryts isär och kolatomerna arrangeras om till en enda bikaka. format lager av grafen.
CVD-tillväxt kan skalas upp för att skapa grafenprover som är centimeter eller till och med meter stora. Men trots år av ansträngningar från forskargrupper runt om i världen har CVD-syntetiserade prover lidit av problem med reproducerbarhet och varierande kvalitet.
Problemet var syre. I tidigare publikationer hade medförfattarna Richard Martel och Pierre Levesque från Montreal visat att spårmängder av syre kan bromsa tillväxtprocessen och till och med etsa bort grafenet. Så för ungefär sex år sedan designade och byggde Christopher DiMarco, GSAS'19, ett CVD-tillväxtsystem där mängden syre som infördes under deponeringsprocessen kunde kontrolleras noggrant.
Nuvarande Ph.D. studenterna Xingzhou Yan och Jacob Amontree fortsatte DiMarcos arbete och förbättrade tillväxtsystemet ytterligare. De fann att när spår av syre eliminerades, var CVD-tillväxten mycket snabbare - och gav samma resultat varje gång. De studerade också kinetiken för syrefri CVD-grafentillväxt och fann att en enkel modell kunde förutsäga tillväxthastighet över en rad olika parametrar, inklusive gastryck och temperatur.
Kvaliteten på de OF-CVD-odlade proverna visade sig vara praktiskt taget identisk med den för exfolierad grafen. I samarbete med kollegor på Columbias fysikavdelning visade deras grafen slående bevis för den fraktionerade kvanthalleffekten under magnetfält, ett kvantfenomen som tidigare bara hade observerats i tvådimensionella elektriska system av ultrahög kvalitet.
Härifrån planerar teamet att utveckla en metod för att rengöra sin högkvalitativa grafen från metalltillväxtkatalysatorn till andra funktionella substrat som kisel – den sista pusselbiten för att dra full nytta av detta underverk.
"Vi blev båda fascinerade av grafen och dess potential som studenter," sa Amontree och Yan. "Vi genomförde otaliga experiment och syntetiserade tusentals prover under de senaste fyra åren av vår doktorsexamen. Att se denna studie äntligen förverkligas är en dröm som går i uppfyllelse."
Mer information: Reproducerbar grafensyntes genom syrefri kemisk ångavsättning, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07454-5. www.nature.com/articles/s41586-024-07454-5
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Columbia University School of Engineering and Applied Science
