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El grafeno es una extraordinaria sustancia bidimensional (2D) que ha despertado la curiosidad de los científicos y la industria. Tiene una excelente conductividad eléctrica y térmica y un buen comportamiento mecánico, lo que lo convierte en un material útil para dispositivos electrónicos, componentes estructurales, células solares y sistemas de sensores.
Estudio: Grupos de carbono en la superficie del sustrato para el crecimiento de grafeno: enfoque teórico y experimental. Crédito: Forance/Shutterstock.com
Un estudio reciente publicado en la revista Scientific Reports se centra en desarrollar un enfoque novedoso para cultivar grafeno en diferentes superficies de sustrato utilizando grupos de carbono. Los investigadores integraron métodos tanto teóricos como experimentales para lograr el crecimiento del grafeno.
Gráfico de crecimiento: descripción general e importancia
La investigación del grafeno ha crecido exponencialmente desde su identificación hace más de una década, debido a sus notables propiedades electromagnéticas, fotónicas, estructurales y químicas.
El crecimiento preciso de grafeno en sustratos tiene ventajas significativas para las aplicaciones de procesamiento posterior, ya que el grafeno se puede cultivar de manera efectiva en aisladores si el sustrato es adecuado. El sustrato utilizado es un componente importante en la producción de películas de grafeno de alta calidad.
En general, la formación de grafeno requiere catalizadores metálicos y la película de grafeno debe transferirse a material aislante para aplicaciones electrónicas.
La mayoría de las aplicaciones de grafeno actualmente se limitan al laboratorio debido a las limitaciones en el proceso de fabricación de grafeno libre de defectos y de alta calidad. El pelado mecánico es la técnica más simple para la formación de gráficos. Este proceso produce grafeno de una sola capa sin defectos de la más alta calidad. Sin embargo, esta estrategia solo es aplicable al crecimiento de grafeno a pequeña escala.
Métodos utilizados actualmente para el crecimiento de gráficos
Muchas formas alternativas de producir grafeno tienen como objetivo el crecimiento de grafeno a gran escala y de alta calidad. Estos procesos incluyen desgaste químico, polimerización química, deposición de película pulsada (PLD) y deposición de vapor químico térmico (CVD). Entre estos métodos, el método CVD es el enfoque sintético más utilizado para el crecimiento de grafeno.
Las películas de grafeno producidas por CVD se recocen posteriormente en dióxido de carbono en lugar de oxígeno, lo que da como resultado una superficie súper plana lograda mediante ablación dirigida. El dióxido de carbono como grabador moderado elimina eficazmente las impurezas inherentes de las láminas de grafeno así producidas durante el proceso de grabado posterior al crecimiento del grafeno a temperaturas superiores a 1000 grados Celsius.
La deposición de capas pulsadas (PLD) es otro enfoque útil para fabricar capas delgadas de grafeno en varios sustratos. Los grupos de carbono amorfo se pueden depositar cuidadosamente sobre la superficie de un sustrato en un entorno de dióxido de carbono utilizando una temperatura adecuada proporcionada por la técnica PLD. Al llegar al sustrato, estos grupos de carbono ocupan uniformemente la superficie y producen películas de grafeno notables.
Aspectos destacados del estudio actual
Este estudio utilizó técnicas teóricas y prácticas para estudiar la morfología de crecimiento de grupos de carbono colocados en diferentes superficies. Los investigadores utilizaron el crecimiento de grafeno como criterio de prueba para evaluar la capacidad de los grupos de carbono durante la investigación.
El método teórico utilizó la dinámica molecular (MD) para evaluar la estabilidad de adsorción de los grupos de carbono depositados en diferentes sustratos. La disparidad en la energía total de una supercélula se utilizó para evaluar la estabilidad de adsorción. Los investigadores evaluaron la estabilidad de absorción de los grupos de carbono utilizando zafiros, titanato de estroncio, óxido de magnesio y silicio como posibles sustratos.
Estimar la estabilidad de absorción en diferentes superficies podría ser extremadamente útil para determinar el mejor sustrato para el crecimiento del grafeno. Los resultados de la simulación teórica de dinámica molecular (MD) se validaron experimentalmente mediante el crecimiento de grafeno capa por capa en sustratos objetivo utilizando la técnica de deposición por láser pulsado (PLD).
Resultados importantes de la investigación.
Usando una supercélula, los investigadores evaluaron la estabilidad de absorción de los grupos de carbono en diferentes sustratos. Las microestructuras de los sustratos se ajustaron utilizando una placa de vacío y la superficie superior de la supercélula se modificó para el análisis de la teoría funcional de la densidad (DFT).
Solo se esperaba que el grafeno tuviera una superficie superplana en titanato de estroncio entre los posibles sustratos según el análisis de estabilidad de absorción. Para probar los resultados del modelo teórico, se usaron una variedad de sustratos para cultivar grafeno experimentalmente en un ambiente de dióxido de carbono y las películas se observaron usando microscopía de fuerza atómica (AFM).
Según lo proyectado por el modelo teórico, solo la película de grafeno depositada sobre un sustrato de titanato de estroncio exhibió una superficie superplana, que correspondía al grafeno CVD superplano preparado por recocido con dióxido de carbono.
Sobre la base de estos resultados, es razonable concluir que el análisis de estabilidad por absorción se puede utilizar como una herramienta flexible para identificar un sustrato objetivo con la mejor orientación cristalográfica para el crecimiento del grafeno.
Relación
Kaneko, S. et al. (2022). Cúmulos de carbono en la superficie del sustrato para el crecimiento de grafeno: enfoque teórico y experimental. Informes científicos. Disponible en: https://doi.org/10.1038/s41598-022-20078-x
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