En los últimos años el grafeno -una sustancia que está compuesta por átomos de carbono- se ha convertido en el material base de muchos productos. Es muy usado en industrias de tecnología, debido a sus propiedades, que le hacen ser muy ligero y resistente. Es además, un buen conductor de electricidad y calor. Investigadores coreanos han logrado el crecimiento y la caracterización de un grafeno monocristalino de gran superficie que no presenta arrugas, pliegues ni capas adyacentes.
La investigación, publicada en la revista científica Nature, señala que “puede decirse que es el grafeno más perfecto que se ha cultivado y caracterizado, hasta la fecha”.
Precisa que esta nueva película sin pliegues podría utilizarse para fabricar dispositivos electrónicos y fotónicos de alto rendimiento.
El equipo de investigadores está dirigido por Rod Ruoff, director del Centro de Materiales Multidimensionales de Carbono (CMCM) del Instituto de Ciencias Básicas (IBS). E incluye a estudiantes de posgrado del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST),
“Este avance pionero se debió a muchos factores”, dijo Ruoff. “Incluido el ingenio humano y la capacidad de los investigadores del Centro para producir láminas de Cu-Ni (111) monocristalinas de gran superficie. De forma reproducible, en las que se cultivó el grafeno mediante procesos químicos. Y bajo el sistema de deposición de vapor (CVD) utilizando una mezcla de etileno con hidrógeno en una corriente de gas argón».
Ruoff, junto a Ming Huang, Da Luo y la estudiante Meihui Wang, efectuaron una serie de experimentos de cultivo de grafeno monocristalino. Así como de monocapa en láminas de Cu-Ni (111) «caseras» a diferentes temperaturas.
Grafeno monocristalino de gran superficie
El equipo había informado previamente de películas de grafeno de cristal único y sin capa que se cultivaron utilizando metano a temperaturas de ~ 1320 grados Kelvin (K) en láminas de Cu (111).
Sin embargo, estas películas siempre contenían “pliegues” que son consecuencia de las arrugas que se forman cuando el grafeno se enfría. Desde la temperatura de crecimiento hasta la temperatura ambiente. Esto da como resultado una reducción indeseable en el rendimiento del Transistor de Efecto de Campo de Grafeno si el «pliegue» está en la región activa del transmisor. Los pliegues también contienen «grietas» que reducen la resistencia mecánica del grafeno.
El siguiente reto era eliminar estos pliegues y llegar al grafeno monocristalino que no presenta arrugas, pliegues ni capas adyacentes. El desafío no fue fácil. Los investigadores realizaron una serie de experimentos que consistían en «ciclar» la temperatura inmediatamente después de cultivar el grafeno a 1320 K. Estos ensayos demostraron que los pliegues se forman a 1020 K o más durante el proceso de enfriamiento.
Después de conocer esto, el equipo decidió cultivar grafeno en láminas de Cu-Ni(111) a varias temperaturas diferentes en torno a los 1020 K. Esto llevó a descubrir que se pueden cultivar películas de grafeno monocristalinas de gran superficie, alta calidad, sin pliegues y sin capas en un rango de temperaturas entre 1000 K y 1030 K.
«Esta película de grafeno sin pliegues se forma como un único cristal en todo el sustrato de crecimiento. Porque muestra una única orientación en un patrón de difracción de electrones de baja energía de gran superficie (LEED)», señaló Seong Won Kyung, investigador principal del Centro.
Aplicaciones en electrónica, mecánica y térmica
Uno de los hallazgos más importante, consistió en que el equipo de investigación fue capaz de lograr un «escalado» de la producción de grafeno mediante el método antes citado. El grafeno se cultivó con éxito en 5 láminas simultáneamente en un horno de cuarzo construido en casa.
«Nuestro método de cultivo de películas de grafeno sin pliegues es muy reproducible. Cada lámina produce dos trozos idénticos de películas de grafeno de alta calidad en ambas caras de la lámina». Y «utiliza el método de transferencia por burbujeo electroquímico. El grafeno puede desprenderse en 1 minuto y la lámina de Cu-Ni(111) puede prepararse rápidamente para el siguiente ciclo de crecimiento o transferencia”, explicó Meihui Wang.
En el proceso de conseguir un grafeno monocristalino sin pliegues, los investigadores también descubrieron las razones de la formación de estos dobleces. Encontraron que la adhesión muerta, que es la causa de los pliegues, se inicia en las regiones de «borde de paso agrupado» entre las mesetas monocristalinas de Cu-Ni(111).
Ruoff refirió además que «el agrupamiento de la superficie de una lámina de Cu-Ni(111) se produce repentinamente a unos 1030 K. Y que esta ‘reconstrucción de la superficie’ es la razón por la que la temperatura crítica de crecimiento del grafeno sin pliegues está a ~1030 K o menos».
Este grafeno monocristalino sin pliegues de gran superficie permite la fabricación directa de dispositivos integrados de alto rendimiento. Estas películas de grafeno serán importantes para seguir avanzando en la ciencia básica, lo que dará lugar a nuevas aplicaciones en los ámbitos electrónico, fotónico, mecánico y térmico.
El grafeno casi perfecto también es útil para el apilamiento, ya sea con él mismo y/o con otros materiales 2D, para ampliar aún más la gama de posibles aplicaciones. Dado que las láminas de Cu-Ni(111) pueden utilizarse repetidamente y que el grafeno puede transferirse a otros sustratos en menos de un minuto. La fabricación escalable mediante este proceso es también muy prometedora.
Lee también en Cambio16.com:
Conforme a los criterios de 
Saber más
