Ciencias

Una nueva técnica sin oxígeno produce grafeno de alta calidad reproducible a escala


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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».

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.

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Los actuales estudiantes de doctorado Xingzhou Yan y Jacob Amontre continuaron el trabajo de DiMarco y mejoraron aún más el sistema de crecimiento. Descubrieron que cuando se eliminaba el oxígeno residual, el crecimiento de las enfermedades cardiovasculares era mucho más rápido y siempre daban los mismos resultados. También estudiaron la cinética de crecimiento del grafeno CVD libre de oxígeno y descubrieron que un modelo simple podría predecir la tasa de crecimiento en una variedad de parámetros diferentes, incluida la presión y la temperatura del gas.
La calidad de las muestras cultivadas con OF-CVD resultó ser prácticamente idéntica a la del grafeno exfoliado. En colaboración con colegas del departamento de física de Columbia, su grafeno presentó evidencia sorprendente del efecto Hall cuántico fraccionario bajo campos magnéticos, un fenómeno cuántico que anteriormente solo se había observado en sistemas eléctricos bidimensionales de muy alta calidad.
A partir de aquí, el equipo planea desarrollar un método para transferir limpiamente su grafeno de alta calidad desde el catalizador de crecimiento del metal a otros sustratos funcionales como el silicio, la última pieza del rompecabezas para aprovechar al máximo este maravilloso material.
«Ambos quedamos fascinados por el grafeno y su potencial cuando todavía estábamos en la escuela de posgrado», dijeron Amontree y Yan. “Realizamos innumerables experimentos y sintetizamos miles de muestras en los últimos cuatro años de nuestros doctorados. Ver que este estudio finalmente se haga realidad es un sueño hecho realidad”.
Referencia: Amontree J, Yan X, DiMarco CS, et al. Síntesis reproducible de grafeno mediante deposición química de vapor sin oxígeno. Naturaleza. 2024. doi: 10.1038/s41586-024-07454-5
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Prudencia Febo

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