O laboratório Hone da Columbia Engineering criou mais de 100 amostras idênticas de grafeno com seu método de deposição química de vapor sem oxigênio. Crédito: Jacob Amontree e Christian Cupo, Universidade de Columbia
Engenheiros da Columbia associam oxigênio a grafeno qualidade e desenvolver novas técnicas para fabricar de forma reproduzível o material maravilhoso em escala.
O grafeno foi chamado de “o material maravilhoso do século 21”. Desde a sua descoberta em 2004, o material – uma única camada de átomos de carbono – tem sido elogiado pela sua série de propriedades únicas, que incluem condutividade elétrica ultra-elevada e notável resistência à tração. Tem potencial para transformar eletrônicos, armazenamento de energia, sensores, dispositivos biomédicos e muito mais. Mas o grafeno tem um segredinho sujo: é sujo.
Avanço na síntese de grafeno
Agora, os engenheiros da Universidade Columbia e colegas da Universidade de Montreal e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) estão preparados para limpar as coisas com um método de deposição química de vapor livre de oxigênio (OF-CVD) que pode criar amostras de grafeno de alta qualidade em escala. Seu trabalho, publicado em 29 de maio em Natureza, demonstra diretamente como o oxigênio residual afeta a taxa de crescimento do grafeno e identifica pela primeira vez a ligação entre o oxigênio e a qualidade do grafeno.
“Mostramos que a eliminação de praticamente todo o oxigênio do processo de crescimento é a chave para alcançar a síntese de grafeno CVD reproduzível e de alta qualidade”, disse o autor sênior James Hone, professor Wang Fong-Jen de Engenharia Mecânica na Columbia Engineering. “Este é um marco para a produção em larga escala de grafeno.”
Métodos históricos de produção de grafeno
O grafeno tem sido historicamente sintetizado de duas maneiras. Existe o método da “fita adesiva”, no qual camadas individuais são retiradas de uma amostra de grafite (o mesmo material que você encontrará na grafite do lápis) usando fita adesiva doméstica. (Veja o vídeo abaixo.) Essas amostras esfoliadas podem estar bastante limpas e livres de impurezas que, de outra forma, interfeririam nas propriedades desejáveis do grafeno. No entanto, eles tendem a ser muito pequenos – apenas algumas dezenas de micrômetros de diâmetro – para aplicações em escala industrial e, portanto, mais adequados para pesquisas em laboratório.
Para passar das explorações de laboratório para aplicações no mundo real, os pesquisadores desenvolveram um método para sintetizar grafeno de grandes áreas há cerca de 15 anos. Este processo, conhecido como crescimento CVD, faz passar um gás contendo carbono, como o metano, sobre uma superfície de cobre a uma temperatura suficientemente alta (cerca de 1000 °C) para que o metano se separe e os átomos de carbono se reorganizem para formar um único favo de mel. camada moldada de grafeno.
Desafios com o crescimento tradicional de DCV
O crescimento de DCV pode ser ampliado para criar amostras de grafeno com centímetros ou até metros de tamanho. No entanto, apesar de anos de esforço de grupos de investigação em todo o mundo, as amostras sintetizadas por CVD sofreram de problemas de reprodutibilidade e qualidade variável.
O problema era o oxigênio. Em publicações anteriores os coautores Richard Martel e Pierre Levesque de Montreal demonstraram que vestígios de oxigênio podem retardar o processo de crescimento e até mesmo gravar o grafeno. Assim, há cerca de seis anos, Christopher DiMarco, GSAS’19, projetou e construiu um sistema de crescimento de CVD no qual a quantidade de oxigênio introduzida durante o processo de deposição poderia ser cuidadosamente controlada.
Avanços no crescimento de DCV sem oxigênio
Os atuais alunos de doutorado Xingzhou Yan e Jacob Amontre continuaram o trabalho de DiMarco e melhoraram ainda mais o sistema de crescimento. Eles descobriram que quando o oxigênio residual era eliminado, o crescimento da doença cardiovascular era muito mais rápido – e sempre dava os mesmos resultados. Eles também estudaram a cinética do crescimento do grafeno CVD livre de oxigênio e descobriram que um modelo simples poderia prever a taxa de crescimento em uma variedade de parâmetros diferentes, incluindo pressão e temperatura do gás.
Jacob Amontree (esquerda) e Xingzhou Yan (direita) exibindo seu grafeno CVD primitivo sintetizado em wafers ultraplanos de cobre/safira. Crédito: Zhiying Wang, Universidade de Columbia
Perspectivas e aplicações futuras
A qualidade das amostras cultivadas com OF-CVD provou ser virtualmente idêntica à do grafeno esfoliado. Em colaboração com colegas do departamento de física de Columbia, seu grafeno apresentou evidências impressionantes do efeito Hall quântico fracionário sob campos magnéticos, um fenômeno quântico que anteriormente só havia sido observado em sistemas elétricos bidimensionais de altíssima qualidade.
A partir daqui, a equipe planeja desenvolver um método para transferir de forma limpa seu grafeno de alta qualidade do catalisador de crescimento de metal para outros substratos funcionais, como o silício – a peça final do quebra-cabeça para aproveitar ao máximo esse material maravilhoso.
“Nós dois ficamos fascinados pelo grafeno e seu potencial quando estávamos na graduação”, disseram Amontree e Yan. “Realizamos inúmeros experimentos e sintetizamos milhares de amostras nos últimos quatro anos de nossos doutorados. Ver este estudo finalmente se concretizar é um sonho que se torna realidade.”
Referência: “Síntese reproduzível de grafeno por deposição química de vapor livre de oxigênio” por Jacob Amontree, Xingzhou Yan, Christopher S. DiMarco, Pierre L. Levesque, Tehseen Adel, Jordan Pack, Madisen Holbrook, Christian Cupo, Zhiying Wang, Dihao Sun, Adam J. Biacchi, Charlezetta E. Wilson-Stokes, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Cory R. Dean, Angela R. Hight Walker, Katayun Barmak, Richard Martel e James Hone, 29 de maio de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07454-5
O trabalho foi iniciado pelo estudante de doutorado em Engenharia Mecânica Christopher DiMarco e continuado pelos atuais estudantes de doutorado Xingzhou Yan e Jacob Amontre, que passaram os últimos quatro anos modificando o sistema e conduzindo os experimentos mostrados no artigo. O trabalho foi supervisionado pelo Prof. James Hone (Engenharia Mecânica) e co-liderado pelo Prof. Katayun Barmak (APAM), com o Prof. O pós-doutorado Madisen Holbrook (Física) fez imagens da rede atômica do grafeno, e os estudantes de doutorado Christian Cupo e Zhiying Wang (MECE) ajudaram na análise e medições de dados. Os alunos de doutorado em física Jordan Pack, Dihao Sun e Adam Biachhi realizaram medições elétricas importantes.
Richard Martel e Pierre Levesque, da Universidade de Montreal, ajudaram a orientar a pesquisa e a testar a reprodutibilidade dos resultados. A equipe da Dra. Angela Hight-Walker do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, em particular o Dr. Tehseen Adel e a Dra. Charlezetta Wilson-Stokes, caracterizou o grafeno.
