Rozwiązanie problemu syntezy grafenu w niskich temperaturach
Epitaksjalny wzrost monokrystalicznego grafenu na Cu(111)
Międzynarodowa grupa badaczy, w pracach której uczestniczył dr inż. Jakub Sitek, wyjaśniła, w jaki sposób można syntezować monokrystaliczny grafen w niskich temperaturach. Wyniki badań zostały opublikowane na łamach czasopisma Angewandte Chemie.
Grupa pod kierownictwem prof. Rodney’a Ruoffa od lat pracuje nad syntezą coraz lepszego grafenu. W ostatnim czasie zajęła się problemem syntezy grafenu w niższych temperaturach, co pozwalałoby na obniżenie zużycia energii przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej jakości warstw.
W omawianej pracy badacze porównali, w jaki sposób grafen zarodkuje na podłożu Cu(111), w zależności od użytych różnych typów prekursorów: CH4, C2H2, C2H4 i C2H6. Okazało się, że jest zasadnicza różnica między CH4 a pozostały związkami – metan „pozbywa” się pierwszego atomu wodoru już w fazie gazowej, natomiast pozostałe związki dopiero po absorpcji na powierzchni miedzi. Jednocześnie eksperymenty pokazały, że najmniejszą energię aktywacji ma acetylen (C2H2), co pozwala na znaczące obniżenie temperatury wzrostu grafenu.
Schemat wzrostu grafenu z wykorzystaniem metanu i acetylenu
– Zespół prof. Ruoffa przez lata pracował nad uzyskaniem jak najlepszego grafenu — mówi dr Sitek. – Teraz, dzięki eksperymentom z wykorzystaniem różnych prekursorów węgla, dowiedzieliśmy się, jak naprawdę odbywa się proces wzrostu. Mając tę wiedzę oraz informację, że acetylen ma najniższą energię aktywacji, możemy tak planować procesy, aby uzyskać grafen bez defektów w niskich temperaturach.
Dzięki zastosowaniu acetylenu grupie prof. Ruoffa udało się obniżyć temperaturę wzrostu z typowych 1080°C do 900°C, co pozwoliło na uzyskanie monokrystalicznego grafenu bez zarodków drugiej warstwy. Tak dobrej jakości grafen może zostać następnie przetransferowany na wybrane podłoże i zostać wykorzystany np. jako emiter promieniowania terahercowego.
Dalsze badania grupy prof. Ruoffa będą prowadzone w kierunku znalezienia prekursora o jeszcze niższej energii aktywacji, co pozwoli na dalsze obniżenie temperatury wzrostu, a w efekcie niższe zużycie energii podczas syntezy.
Badania zrealizowano m.in. dzięki grantowi NAWA Bekker, w ramach którego dr inż. Jakub Sitek odbył staż w IBS Center for Multidimensional Carbon Materials w Korei Południowej.
Artykuł Growth Kinetics of Graphene on Cu(111) Foils from Methane, Ethyne, Ethylene, and Ethane jest dostępny na stronie: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202412131
Autorzy: Meihui Wang, Yong Chul Kim, Yongqiang Meng, Shahana Chatterjee, Pavel Bakharev, Da Luo, Yan Gong, Thomas Abadie, Min Hyeok Kim, Jakub Sitek, Won Kyung Seong, Geunsik Lee, Rodney S. Ruoff
