Эволюционный отбор монокристаллического роста

Инновационная технология создания крупных монослойных монокристаллических графитовых пленок размером более одной футы зависит от того, чтобы сделать производительную «выживаемость наиболее приспособленной» конкуренции среди кристаллов. Новый метод был разработан исследовательской группой, возглавляемой Национальной лабораторией Oak Ridge Департамента энергетики, и может открыть двери для инновационных возможностей для разработки высококачественных двумерных (2D) материалов, необходимых для долговременных практических применений.

В контролируемой среде наиболее быстро растущая ориентация графеновых кристаллов перегружает другие и получает «эволюционно выбранных "в монокристалл, даже на поликристаллической подложке, без необходимости соответствовать ориентации подложки. Команда, возглавляемая Национальной лабораторией из Ок-Ридж, разработала новый метод, который дает большие монослойные монокристаллические графеновые пленки более чем на одну ногу. (Image credit: Andy Sproles / Национальная лаборатория Ок-Ридж, У. С. Департамент энергетики).

Изготовление тонких слоев графена и других 2D-материалов по шкале, необходимой для проведения исследований, принято; однако они должны быть изготовлены в значительно большем масштабе, чтобы функционировать.

Graphene одобрен за его атрибуты более высокой электропроводности и непревзойденной силы. Он может быть получен с использованием привычных стратегий: выделение графитовых хлопьев (графит – это серебристый мягкий материал, который можно увидеть в карандашах), в слои с одним атомом или разработка одного атома за один раз на катализаторе с использованием газообразного предшественника до ультратонкие слои.

Исследовательская группа, возглавляемая ORNL, использовала второй метод, называемый химическим осаждением из паровой фазы (CVD), однако с завихрением. В исследованиях, опубликованных в журнале [Nature исследователи описали способ локализованного контроля процесса CVD, позволяющий эволюционный (или самовыборный) рост в самых благоприятных условиях, создавая крупный монокристаллический графен лист.

Крупные монокристаллы более механически устойчивы и могут иметь более высокую проводимость . Это связано с тем, что недостатки, возникающие в результате межсоединений между отдельными доменами в поликристаллическом графене, устраняются .

Наш метод может быть ключом не только к улучшению крупномасштабного производства монокристаллического графена, но и к другим 2D-материалам, что необходимо для их крупномасштабных приложений .

Иван Власиук, ведущий соавтор – ORNL

Очень похоже на обычные стратегии CVD для синтеза графена, ученые распыляли газовую смесь, включающую молекулы предшественников углеводородов, на металлическую поликристаллическую фольгу. Они осторожно регулировали локальное осаждение молекул углеводородов, делая их непосредственно осажденными на краю развивающейся графеновой пленки. Когда подложка перемещалась на дно, атомы углерода непрерывно собирались как один графеновый кристалл длиной до одной ноги.

« Неограниченный монокристаллический рост графена может проходить почти непрерывно, как показано на рисунках« рулон к рулону »и за пределами длинных образцов », – заявил Сергей Смирнов, соавтор исследования который является профессором Университета штата Нью-Мексико.

После попадания в контакт с горячей каталитической фольгой углеводороды образуют кластеры атомов углерода, которые постепенно превращаются в более крупные домены перед объединением для покрытия всего субстрата. Ранее исследователи обнаружили, что при достаточно высоких температурах атомы углерода в графене не связывают или не перекрывают атомы в субстрате, тем самым обеспечивая неэпитаксиальный кристаллический рост.

Поскольку скорость роста монокристалла сильно зависит от концентрации газовой смеси, осаждение предшественника углеводорода, близкого к существующему краю одиночного графенового кристалла, может эффективно стимулировать его рост, чем эволюция новых кластеров.

]

В такой контролируемой среде наиболее быстро растущая ориентация кристаллов графена перегружает другие и «эволюционно выбирается» в монокристалл даже на поликристаллическом субстрате без необходимости соответствовать ориентации подложки, которая обычно происходит со стандартным эпитаксиальным ростом .

Сергей Смирнов, соавтор

Исследователи обнаружили, что для подтверждения самого высокого роста необходимо сформировать «ветер», который помогает избавиться от кластерных образований. « Крайне важно, чтобы мы создали среду, в которой образование новых кластеров впереди фронта роста было полностью подавлено, и расширение просто растущего края крупного кристалла графена не было затруднено », – заявил Вислюк. « Тогда и только тогда ничто не мешает« наиболее приспособленному »кристаллическому росту, когда субстрат движется ».

Теоретики группы, возглавляемые Борисом Якобсоном, соавтором исследования, который является профессором университета Райса, разработали модель, разъясняющую кристаллографические ориентации, обладающие отличительными характеристиками, которые делают их подходящими, и почему выбор наиболее приспособленные могут полагаться на предшественники и подложку.

Если графен или какой-либо 2D-материал когда-либо продвигается в промышленном масштабе, этот подход будет ключевым, аналогичным методу Чохральского для кремния. Производители могут быть уверены, что, когда для любого изготовления устройства будет вырезано большое волокнистое слой с вафельной поверхностью, каждая результирующая деталь будет представлять собой монокристалл качества. Эта потенциально огромная, влиятельная роль мотивирует нас исследовать теоретические принципы как можно более ясные .

Борис Якобсон, соавтор

Рабочее продвижение графена, приняв методику, разработанную исследователями, еще предстоит проверить; однако команда уверена в том, что их выживаемость наиболее приспособленной технологии выращивания монокристаллов также может быть использована для благоприятных замещающих 2D-материалов, таких как дисульфид молибдена и нитрид бора, который также называют «белым графеном».

Соавторами исследования под названием «Рост эволюционного отбора двумерных материалов на поликристаллических подложках» являются Иван Вислюк, Ицзин Стел, Раймонд Р. Уноцик, Артур П. Баддорф, Илья Николаевич Иванов, Николай В. Лаврик и Фредерик Список из Национальной лаборатории Ок-Ридж; Philip D. Rack из ORNL и Университета Теннесси; Пушпа Радж Пудасаини из Техасского университета; Нитан Гупта, Ксения Бетс и Борис Иванович Якобсон из Университета Райса; и Сергей Смирнов из Университета штата Нью-Мексико.

Лаборатория ORNL провела научно-исследовательскую и исследовательскую программу, спонсируемую компанией ORNL технологическую инновационную программу, финансируемую роялти, и Агентство исследований перспективных исследований DOE-Energy поддержали исследование. Исследование микроскопии было поддержано как часть реакций, структур и транспортного центра жидкостного интерфейса, исследовательского центра по энергетическим границам. Это исследование также привлекло Центр научных исследований Nanophase Materials Sciences ORNL, Бюро по научным вопросам Министерства энергетики США.

Source link