«С помощью этой новой техники мы можем вырастить большие листы графена электронного качества за гораздо меньшее время и при гораздо более низких температурах», — говорит штатный научный сотрудник Калифорнийского технологического института Дэвид Бойд, разработавший метод.Бойд — первый автор нового исследования, опубликованного в выпуске журнала Nature Communications от 18 марта, в котором подробно описывается новый производственный процесс и новые свойства графена, который он производит.Графен может произвести революцию в различных областях техники и науки благодаря своим уникальным свойствам, которые включают в себя предел прочности на разрыв в 200 раз выше, чем у стали, и электрическую подвижность, которая на два-три порядка выше, чем у кремния. Электрическая подвижность материала — это мера того, насколько легко электроны могут перемещаться по его поверхности.
Однако достижение этих свойств в промышленно значимых масштабах оказалось сложным. Существующие методы требуют слишком высоких температур — 1800 градусов по Фаренгейту или 1000 градусов по Цельсию — для включения производства графена в текущее производство электроники. Кроме того, высокотемпературный рост графена имеет тенденцию вызывать большие неконтролируемые деформации — деформации — в материале, что серьезно ухудшает его внутренние свойства.«Раньше люди могли выращивать только несколько квадратных миллиметров высокоподвижного графена за один раз, а для этого требовались очень высокие температуры, длительные периоды времени и много шагов», — говорит профессор физики Калифорнийского технологического института Най-Чанг Йе, специалист по Флетчеру.
Со-директор Фонда Джонса Института нанонауки Кавли и автор-корреспондент нового исследования. «Наш новый метод позволяет стабильно производить высокоподвижный и почти свободный от деформаций графен за один этап всего за несколько минут без высокой температуры. Мы создали образцы размером несколько квадратных сантиметров, и, поскольку мы считаем, что наш метод масштабируем, мы считаем, что можем выращивать листы размером до нескольких квадратных дюймов и более, открывая путь к реалистичным крупномасштабным приложениям ».
Новый производственный процесс мог бы вообще не быть обнаружен, если бы не удачный поворот событий. В 2012 году Бойд, тогда работавший в лаборатории покойного Дэвида Гудвина, в то время профессора машиностроения и прикладной физики Калифорнийского технологического института, пытался воспроизвести процесс производства графена, о котором он читал в научном журнале. В этом процессе нагретая медь используется для катализатора роста графена. «Я играл с ним в обеденный перерыв», — говорит Бойд, который сейчас работает с исследовательской группой Йе. «Но рецепт не работал.
Это казалось очень простым процессом. У меня даже было лучшее оборудование, чем то, что использовалось в первоначальном эксперименте, так что это должно было быть проще для меня».
Во время одной из его попыток воспроизвести эксперимент зазвонил телефон.
Пока Бойд ответил на звонок, он непреднамеренно позволил медной фольге нагреться дольше, чем обычно, прежде чем подвергнуть ее воздействию паров метана, которые обеспечивают атомы углерода, необходимые для роста графена.Когда позже Бойд исследовал медную пластину с помощью рамановской спектроскопии, метода, используемого для обнаружения и идентификации графена, он увидел доказательства того, что слой графена действительно сформировался. "Это было" А-ха! " момент ", — говорит Бойд. «Тогда я понял, что секрет роста заключается в том, чтобы иметь очень чистую поверхность без оксида меди».Как вспоминает Бойд, он затем вспомнил, что Роберт Милликен, физик, лауреат Нобелевской премии и глава Калифорнийского технологического института с 1921 по 1945 год, также столкнулся с проблемой удаления оксида меди, когда он провел свой знаменитый эксперимент 1916 года по измерению постоянной Планка, что очень важно.
Для расчета количества энергии отдельной световой частицы или фотона Бойд задавался вопросом, сможет ли он, как и Милликен, разработать метод очистки своей меди, находящейся в условиях вакуума.Решение, к которому пришел Бойд, заключалось в использовании системы, впервые разработанной в 1960-х годах, для создания водородной плазмы — то есть газообразного водорода, который был электрифицирован для отделения электронов от протонов — для удаления оксида меди при гораздо более низких температурах. Его первоначальные эксперименты показали, что не только этот метод работал для удаления оксида меди, но и одновременно давал графен.Сначала Бойд не мог понять, почему эта техника оказалась такой успешной.
Позже он обнаружил, что два негерметичных клапана пропускали следы метана в экспериментальную камеру. «Клапаны пропускали ровно столько метана, сколько нужно для роста графена», — говорит он.Возможность производить графен без необходимости активного нагрева не только снижает производственные затраты, но также приводит к получению лучшего продукта, поскольку возникает меньше дефектов, возникающих в результате процессов теплового расширения и сжатия. Это, в свою очередь, устраняет необходимость в нескольких этапах постпродакшена. «Обычно для изготовления партии высокоподвижного графена с использованием методов высокотемпературного выращивания требуется около десяти часов и от девяти до десяти различных шагов», — говорит Йе. «Наш процесс состоит из одного шага и занимает пять минут».
Работа группы Йе и международных сотрудников позже показала, что графен, полученный с использованием новой технологии, имеет более высокое качество, чем графен, полученный с использованием традиционных методов: он прочнее, потому что в нем меньше дефектов, которые могут ослабить его механическую прочность, и он имеет самую высокую электрическую подвижность. измерено для синтетического графена.Команда считает, что одна из причин, по которой их метод настолько эффективен, заключается в том, что химическая реакция между водородной плазмой и молекулами воздуха в атмосфере камеры генерирует цианорадикалы — молекулы углерода и азота, лишенные электронов. Подобно крошечным суперскрубберам, эти заряженные молекулы эффективно очищают медь от дефектов поверхности, обеспечивая безупречную поверхность для выращивания графена.
Ученые также обнаружили, что их графен растет особым образом. Графен, полученный с использованием обычных термических процессов, вырастает из случайного лоскутного одеяла отложений. Но рост графена плазменной техникой более упорядочен. Отложения графена образуют линии, которые затем превращаются в цельный лист, что способствует его механической и электрической целостности.
По словам Йе, расширенная версия их плазменной техники может открыть двери для новых видов производства электроники. Например, листы графена с низкой концентрацией дефектов могут использоваться для защиты материалов от деградации под воздействием окружающей среды. Другой возможностью было бы выращивание больших листов графена, которые можно было бы использовать в качестве прозрачного проводящего электрода для солнечных элементов и дисплейных панелей. «В будущем у вас могут появиться дисплеи сотовых телефонов на основе графена, которые вырабатывают собственную энергию», — говорит Йе.Другая возможность, по ее словам, — это намеренно внести дефекты в структуру решетки графена для создания определенных механических и электронных атрибутов. «Если вы можете деформировать графен с помощью конструкции в наномасштабе, вы можете искусственно спроектировать его свойства.
Но для того, чтобы это сработало, вам нужно начать с идеально гладкого листа графена без деформаций», — говорит Йе. «Вы не можете этого сделать, если у вас есть лист графена с неконтролируемыми дефектами в разных местах».