Los investigadores construyen una máquina para hacer crecer el material en condiciones más frías, lo que podría fomentar el desarrollo de dispositivos basados ​​en grafeno.

Para construir dispositivos que aprovechen las propiedades eléctricas únicas del grafeno, los investigadores necesitarán hojas grandes de material de alta calidad. Actualmente, normalmente cultivan el material 2-D por deposición química de vapor (CVD) en piezas de cobre calentadas a aproximadamente 1000 ° C. Esto da como resultado grafeno con cristales grandes, lo que significa que hay pocos límites de cristal para que los electrones se topen, lo que, a su vez, conduce a buenas cualidades eléctricas. Después de hacer crecer la película, los investigadores deben transferir el grafeno a otra superficie, como una oblea de silicona o una película de plástico. Mover una gran hoja de material que es solo un átomo de espesor es un desafío, por lo que idealmente los investigadores solo cultivarían el grafeno justo donde se necesita. Pero los investigadores no pueden cultivar grafeno directamente en muchos tipos de superficies debido a las temperaturas extremas requeridas.

Un soplador especialmente diseñado genera un plasma de 50 mm de ancho en la superficie de un sustrato de cobre, lo que permite a los investigadores cultivar grafeno de alta calidad a bajas temperaturas. Crédito: Nano Lett

Al diseñar y construir un dispositivo especializado de soplado de plasma, los investigadores ahora han superado este desafío de llevar el grafeno a la producción en masa. La nueva técnica de crecimiento hace posible producir grafeno de alta calidad a menos de la mitad de la temperatura típica, lo que podría hacer que crezca directamente el material electrónico ultrafino sobre plástico, circuitos de silicio y otras superficies para uso en electrónica de alto rendimiento o flexible. (Nano Lett. 2019, DOI: 10.1021 / acs.nanolett.8b03769).

Un proceso llamado CVD potenciado por plasma, que utiliza microondas para convertir los gases en una cámara en un plasma reactivo, hace posible que crezca grafeno a temperaturas mucho más bajas, alrededor de 400° C. Esta temperatura es compatible con poliimida y otros sustratos electrónicos. Sin embargo, el material resultante es granulado y tiene propiedades eléctricas deficientes. Los investigadores dirigidos por Jaeho Kim y Hiromoto Itagaki en el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industriales Avanzadas (AIST) encontraron que podían cultivar grafeno de mayor calidad controlando el plasma con más cuidado.

Los investigadores de AIST construyeron un aparato que llaman un soplador de plasma para obtener un control más preciso sobre la composición y el flujo del plasma. El dispositivo sopla gases de metano, argón e hidrógeno a través de un campo de microondas que energiza las moléculas para formar un plasma antes de que lleguen a la superficie donde los investigadores desean cultivar grafeno. El equipo utilizó modelos computarizados para estudiar la convección de gases a través del soplador y en la superficie reactiva. Con este conocimiento, jugaron con el flujo de gases y las propiedades de la radiación de microondas para minimizar la producción de intermedios dañinos y optimizar la concentración del estofado de electrones y radicales CH y C 2 que juegan un papel importante en el crecimiento del grafeno.

Al explotar un sustrato de cobre con este plasma controlado, los investigadores produjeron grafeno de alta calidad con cristales grandes a solo 400 ° C. Las cualidades ópticas y eléctricas del grafeno cultivado por este método son comparables a las del grafeno cultivado a altas temperaturas por CVD. Hasta ahora, el soplador produce un plasma de aproximadamente 50 mm de ancho, lo que da como resultado tiras de grafeno del mismo ancho. Kim cree que será posible cultivar láminas de grafeno de un metro de ancho.

Rodney Ruoff, un ingeniero químico del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan, dice que está impresionado. “Lograr un grafeno de alta calidad a solo 400 ° C en una lámina de cobre es bastante interesante”, dice.

Los intentos anteriores de cultivar grafeno en condiciones más frías han requerido un paso de procesamiento a alta temperatura para mejorar la calidad del material, dice Deji Akinwande, ingeniero eléctrico de la Universidad de Texas en Austin. “Esto parece ser un método verdaderamente a baja temperatura”, dice. Ruoff y Akinwande están de acuerdo en que ahora la pregunta es si funcionará en sustratos además del cobre, como las láminas de polímero utilizadas para hacer dispositivos electrónicos flexibles y pantallas. Al respecto, Kim tiene los labios apretados, pero dice que la investigación está en progreso.

Via: cen.acs.org