Metal erregogorren gainazalean grafenoaren hazkundea ikertzeko

Apr 08, 2020

Grafenoa karbono-materialen familiako azken kidea da. Bi dimentsioko egitura perfektuarekin, propietate elektriko eta optiko bikainekin, grafenoak aplikazio aukera zabalak ditu erdieroaleetan, fotovoltaikoetan, automobilgintzan, energia berrietan, aeroespazialean eta beste alor batzuetan. Lurrun-deposizio kimikoa (CVD) bi dimentsioko materialak hazteko metodo garrantzitsua da, 10 urte baino gehiagoz garatu dena. CVD bidez grafenoaren hazkundea gero eta metodo garrantzitsuena bihurtu da eremu handiko eta kalitate handiko kristal bakarreko edo grafenozko filmak prestatzeko.

Grafinoaren eremu handiak CVD bidez hazten dira normalean Cu edo Ni katalizatzaileen substratuetan 1000 °C-tan, baina grafenoaren hazkuntza tenperatura altuagoetan oso gutxitan jakinarazi da. Duela gutxi, Beijingeko teknologia unibertsitateko guo weiling irakaslearen ikerketa taldeak sistematikoki aztertu zuen grafenoaren hazkundea metal erregogorren gainean, hau da, oso urtze-puntu altua duen metalean, eta hazkunde-parametroak eta karakterizazio-emaitzak zehatz-mehatz eman zituen. Ikerketa honen oinarrizko galdera hauxe da: tenperatura altuak hobe dezake CVD grafenoaren kalitatea?

Lehenik eta behin, taldea teorikoki aztertzen da grafenoaren CVD metodoaren hazkuntzaren tenperatura altua onuragarria dela, tenperatura altuak nukleazio dentsitate txikiagoa dakarrelako, energia handiagoa eman dezakeela, karbono atomoen difusioaren gainazala indartu eta karbono atomoak gainditzeko. energia-hesia eta oinarri metalikoaren sarearekin konbinatuz gero, esperimentu bidez egiaztatzen da. Ikerketa-taldeak tantalioa (Ta), renioa (Re), niobioa (Nb), wolframioa (W) eta molibdenoa (Mo) substratuak hautatu zituen, eta horietan Nb, W eta Mo-ren hazkundea Ta-ren antzekoa izan zen. Hasi Ta (urtze-puntua 3017 ℃) oinarri gisa, Ar gas eramaile gisa, H2 gasa babesteko, CH4 edo C2H2 karbono iturriaren hazkuntzako grafeno gisa CVD metodoaren bidez, 1. irudian (a) irudian ikusten den bezala, urrezko gainazala. Marroia Ta karburoa, 1 (b) irudiaren bidez, materiala TaC eta Ta2C nahasketa bat da, nahiz eta eratutako mikra karburo lodiaren gainazala, baina geruza bakarreko grafenoa hazi daitekeen arren. 1 (C) irudiak Ta-ren gainazaleko transferentziaren ondoren grafenoa erakusten du, Cu-ren gainazaleko transferentziaren ondoren monogeruzako grafenoaren oso antzekoa dena, Ta-k hazitako grafenoa ere litekeena dela monogeruza izatea. Hau da, Ta karbono-xurgapena Ni-ren antzekoa denez, biek beroaren karbonoaren zati bat xurga dezakete sotoan, Nirentzat, karbonoaren disolbagarritasuna murrizteko, geruza anitzeko grafenoaren gainazaleko karbono-segregazioarekin hoztuz, eta disolbatu egiten da. Ta C karburo egonkorretan, tenperatura-aldaketarako karbono-xurgapena itzulezina da, beraz, geruza bakarreko grafenoa hazten da. 1000 ℃-tan grafeno geruza kopurua nahiko uniformea ​​bada ere, grafenoaren kalitatea eskasa da. IRUDIAN. 1 (d), 2D gailurra ia ikusezina da, I2D/IG (eta ID/IG) grafenoaren ratioa 3000 ℃-tan hazi den bitartean. 1 (e) FIG-ekoa baino altuagoa (eta baxuagoa) da. 1 (d), beraz, tenperatura altuak grafenoaren kalitatea hobetzen du. Raman atlasaren proportzioa ez dator bat grafeno monogeruza estandarrekin, hau da, Ta substratuan hazten den grafeno monogeruza desordenatuta dagoelako izan daiteke.

Ondoren, ikerketa-taldeak karburorik sortzen ez zuen Re metal erregogorra (urtze-puntua: 3186 ℃) aztertu zuen. Antzeko hazkuntza-eskema bat erabili zen eta produktuak transferitu ziren grafenoa 1000 º c-an (2a IRUDIA) eta grafitoa 3000 ºc-tan (2b. IRUDIA) sortzeko, Ta-ren gainazalean tenperatura altuan hazitako grafenoaren oso desberdina dena. . Beraz, gai honen sistemaren tenperaturaren ikerketak Re grafenoaren gainazalaren hazkuntzari buruz, 3. irudian erakusten den moduan, 1200 ℃-tik 1400 ℃-ra, grafeno-kristalen kalitatea hobetu da, eta hori 1350 cm - 1 D gailurra murriztu daiteke, gero eta handiagoa da. 2 D gailurra eta zorroztuz frogatzeko, baina tenperatura 1500 ℃ baino gehiagokoa denean, hoztu karbono-segregazioaren efektu gero eta esanguratsuagoa bihurtzen hasi zen, grafenoaren loditzea. Hori dela eta, beste baldintza batzuk aldatzen ez direnean, grafenoaren hazkunde tenperatura optimoa Re-ren gainazalean 1400 ℃ da.

Azkenik, ikerketak ondorioztatu du, neurri batean, hazkuntza-tenperatura handiak grafenoa hazteko lagungarria dela, eta aldaketa hori bereziki esanguratsua da karburoak erraz eratzen diren metalezko substratuarentzat. Hala ere, ekoizpen kostuaren eta produktuaren kalitatearen ikuspuntutik, oraindik ez dago kobre eta nikel arruntarekin alderatuta onura nabarmenik, beraz ikerketa hau CVD hazten den grafenoaren oinarrizko osagarri gisa har daiteke.