Рост графеновых пленок большой площади с точно контролируемым количеством слоев и порядком укладки может открыть новые возможности в электронике и фотонике, но остается проблемой. Это исследование показало первый пример синтеза двух- и трехслойных листов графена размером более сантиметра, со слоями, сложенными определенным образом, а именно AB- и ABA-стекингом.
«Эта работа предоставляет материалы для изготовления графеновых устройств с новыми функциями, которые еще не реализованы, и которые могут дать новые фотонные, оптоэлектронные и другие свойства», – объясняет Родни С. Руофф, директор CMCM, заслуженный профессор Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) и ведущий автор этого исследования.
Соавтор и профессор Вон Чон Ю из Университета Сонгюнкван отмечает, что «это открывает путь к изучению новых свойств электрического транспорта двухслойного и трехслойного графена."
Например, та же исследовательская группа IBS и сотрудники недавно опубликовали в Nature Nanotechnology еще одну статью, в которой показано преобразование двухслойной графеновой пленки, уложенной AB, выращенной на фольгах из сплава медь / никель (111) (фольга Cu / Ni (111)), в пленку. алмазоподобный лист, известный как диаман. Соавтор Павел V. Бахарев отмечает, что: «Менее года назад мы получили монослой фторированного алмаза, F-диаман, путем фторирования именно двухслойных графеновых пленок с АБ-слоями, описанных в этой новой статье.
Теперь возможность получения двухслойного графена большего размера вызывает новый интерес и показывает, как быстро развивается эта область."
Правильный выбор подложки важен для правильного роста графена. Фольги, изготовленные только из меди, ограничивают рост двухслойного графена и способствуют равномерному росту монослоя. Можно получить многослойные листы графена на никелевой пленке, но они не являются однородными и имеют тенденцию иметь небольшие «пятна» разной толщины.
Наконец, имеющиеся в продаже фольги, содержащие как никель, так и медь, не идеальны. Поэтому исследователи IBS подготовили самодельные монокристаллические фольги Cu / Ni (111) с желаемыми характеристиками, основываясь на методе, о котором сообщила группа в Science в 2018 году. Пленки никеля наносятся гальваническим методом на медную фольгу (111), так что никель и медь взаимно диффундируют при нагревании и дают новую монокристаллическую фольгу, которая содержит оба элемента в регулируемых соотношениях.
Руофф предложил этот метод и руководил оценкой Мин Хуанга лучших концентраций никеля для получения однородных листов графена с желаемым количеством слоев.
Исследователи IBS вырастили двух- и трехслойные листы графена на фольге Cu / Ni (111) методом химического осаждения из газовой фазы (CVD).
Хуанг создал двухслойные графеновые пленки с ABA-слоями размером несколько квадратных сантиметров, покрывающих 95% площади подложки, и трехслойный графен с ABA-пакетом с более чем 60% -ным покрытием площади. Это представляет собой первый рост трехслойного графена с ABA-слоем с высоким покрытием на большой площади и лучшее качество, полученное для двухслойного графена с AB-пакетом до сих пор.
В дополнение к обширным спектроскопическим и микроскопическим характеристикам, исследователи также измерили электрический транспорт (подвижность носителей и настраиваемость запрещенной зоны) и теплопроводность вновь синтезированного графена.
Двухслойные графеновые пленки сантиметрового масштаба показали хорошую теплопроводность, достигающую ~ 2300 Вт / мК (сравнимую с расслоенными чешуйками двухслойного графена), и механические характеристики (жесткость 478 гигапаскалей для модуля Юнга и 3.31 гигапаскаль для прочности на излом).
Затем команда исследовала механизм наращивания и обнаружила, что он следует так называемой последовательности «перевернутого свадебного торта», когда нижние слои располагаются после верхнего. «С помощью трех независимых методов мы показали, что 2-й слой для двухслойного графена, а также 2-й и 3-й слои трехслойного листа растут под сплошным верхним слоем. Эти методы могут быть в дальнейшем использованы для изучения структуры и последовательности укладки других двухмерных тонкопленочных материалов », – отмечает Хуанг.
Руофф отмечает, что эти методы синтеза и тестирования крупномасштабных ультратонких пленок могут стимулировать интерес во всем мире к дальнейшим экспериментам с фольгой из монокристаллического сплава Cu / Ni и даже к исследованию изготовления и использования фольги из других монокристаллических сплавов.
Это исследование было выполнено в сотрудничестве с UNIST и Университетом Сунгюнкван.