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El grafeno ha sido llamado “el material maravilloso del siglo XXI”. Desde su descubrimiento en 2004, el material (una sola capa de átomos de carbono) ha sido elogiado por su gama de propiedades únicas, que incluyen una conductividad eléctrica ultraalta y una notable resistencia a la tracción. Tiene el potencial de transformar la electrónica, el almacenamiento de energía, los sensores, los dispositivos biomédicos y más. Pero el grafeno tiene un pequeño y sucio secreto: es sucio.
Ahora, ingenieros de la Universidad de Columbia y colegas de la Universidad de Montreal y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología están preparados para limpiar las cosas con un método de deposición química de vapor sin oxígeno (OF-CVD) que puede crear muestras de grafeno de alta calidad a escala. Su trabajo, publicado el 29 de mayo en Naturaleza, demuestra directamente cómo el oxígeno residual afecta la tasa de crecimiento del grafeno e identifica por primera vez el vínculo entre el oxígeno y la calidad del grafeno.
«Demostramos que eliminar prácticamente todo el oxígeno del proceso de crecimiento es clave para lograr una síntesis de grafeno CVD reproducible y de alta calidad», dijo el autor principal. James Hone, Profesor Wang Fong-Jen de Ingeniería Mecánica en Columbia Engineering. «Este es un hito para la producción de grafeno a gran escala».
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Históricamente el grafeno se ha sintetizado de dos formas. Hay El método de la “cinta adhesiva”, en el que se toman capas individuales de una muestra de grafito (el mismo material que encontrarás en la mina de un lápiz) usando cinta adhesiva doméstica. Estas muestras exfoliadas pueden estar bastante limpias y libres de impurezas que de otro modo interferirían con las propiedades deseables del grafeno. Sin embargo, tienden a ser demasiado pequeños (sólo unas pocas decenas de micrómetros de diámetro) para aplicaciones a escala industrial y, por tanto, más adecuados para la investigación de laboratorio.
Para pasar de las exploraciones de laboratorio a las aplicaciones del mundo real, los investigadores desarrollaron un método para sintetizar grafeno de gran superficie hace unos 15 años. Este proceso, conocido como crecimiento CVD, hace pasar un gas que contiene carbono, como el metano, sobre una superficie de cobre a una temperatura lo suficientemente alta (alrededor de 1000 °C) para que el metano se separe y los átomos de carbono se reorganicen para formar una sola. panal. capa moldeada de grafeno. El crecimiento del DCV se puede ampliar para crear muestras de grafeno de centímetros o incluso metros de tamaño. Sin embargo, a pesar de años de esfuerzos por parte de grupos de investigación de todo el mundo, las muestras sintetizadas mediante CVD han sufrido problemas de reproducibilidad y calidad variable.
El problema era el oxígeno. En publicaciones anteriores, los coautores Richard Martel y Pierre Levesque de Montreal demostraron que pequeñas cantidades de oxígeno pueden retardar el proceso de crecimiento y incluso quemar el grafeno. Así, hace unos seis años, Christopher DiMarco, GSAS'19, diseñó y construyó un sistema de crecimiento DCV en el que se podía controlar cuidadosamente la cantidad de oxígeno introducido durante el proceso de deposición.
