От липкой ленты до химического синтезаУдобные для СМИ нобелевские лауреаты, отслаивающие слои графена от объемного графита с помощью липкой ленты, могут захватить воображение публики, но в качестве производственного процесса этой технологии не хватает.
Механическое расслоение может дать нам первозданный графен, но промышленность требует масштабируемых и рентабельных производственных процессов с гораздо более высокими выходами.Синтез графена путем химического осаждения из паровой фазы (CVD) газообразного метана на медную подложку является наиболее распространенным способом получения материала такого количества и качества, которое требуется для электронных приложений. CVD — это промышленно масштабируемый процесс, но графен, полученный таким образом, подвержен загрязнению химическими агентами, используемыми для удаления субстрата для выращивания.
Это также сложный и дорогостоящий метод, требующий расточительного использования меди и других материалов.Вместо удаления ростовой подложки с помощью влажного химического травления существует другой подход, заключающийся в удалении графена и сохранении медной фольги для повторного использования в будущем.
Электрохимическое и сухое расслоение графена, выращенного методом CVD, было продемонстрировано ранее, но материал все еще страдает от некоторых загрязнений, связанных с обработкой.Графен CVD с помощью межмолекулярных силВедущие физики из RWTH Aachen University и Forschungszentrum Julich вместе с коллегами из Японии разработали метод отделения графеновых чешуек от подложки CVD с помощью межмолекулярных сил.
Подробности этого процесса можно найти в статье, недавно опубликованной в журнале с открытым доступом Science Advances, первым автором которой является студент-исследователь Лука Банзерус.Ключом к процессу является сильное ван-дер-ваальсово взаимодействие, которое существует между графеном и гексагональным нитридом бора, еще одним двумерным материалом, внутри которого он заключен. Сила Ван-дер-Ваальса представляет собой сумму притяжения короткодействующих электрических дипольных взаимодействий между незаряженными молекулами.Благодаря сильным ван-дер-ваальсовым взаимодействиям между графеном и нитридом бора, CVD-графен может быть отделен от меди и перенесен на произвольную подложку.
Этот процесс позволяет повторно использовать каталитическую медную фольгу в дальнейших циклах выращивания и сводит к минимуму загрязнение графена из-за обработки.Рамановская спектроскопия и измерения переноса на гетероструктурах графен / нитрид бора показывают высокую подвижность электронов, сравнимую с наблюдаемой в аналогичных сборках на основе расслоенного графена. Более того — и это стало неожиданностью для исследователей — не обнаружено заметных изменений производительности между устройствами, разработанными в первом и последующих циклах роста.
Это подтверждает, что медь пригодна для вторичного использования в процессе производства графена.«Химическое осаждение из паровой фазы — это масштабируемая и экономичная технология, — говорит Кристоф Штампфер, глава 2-го Института физики А в Аахене и соавтор технической статьи. «До сих пор графен, синтезированный таким способом, был значительно ниже по качеству, чем графен, полученный методом скотча, особенно когда речь идет об электронных свойствах материала. — высококачественные образцы синтетического графена. Этот процесс в принципе подходит для промышленного производства и сокращает разрыв между исследованиями графена и его технологическими применениями ».С помощью процесса сухого переноса Банзерус и его коллеги показали, что электронные свойства графена, выращенного методом CVD, в принципе могут совпадать со свойствами сверхвысокоподвижного расслоенного графена.
Ключевым моментом является перенос CVD-графена с его ростовой подложки таким образом, чтобы избежать химического загрязнения. Таким образом, сохраняется высокая подвижность нетронутого графена, и этот подход позволяет повторно использовать материал подложки без деградации.