Il grafene, un singolo strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale, ha suscitato grande attenzione per le sue notevoli proprietà.
Per sfruttare queste proprietà, sono state sviluppate diverse tecniche per la sua crescita.
Qui esploriamo cinque metodi chiave utilizzati per produrre grafene.
Quali sono le tecniche di crescita del grafene? (5 metodi chiave spiegati)
1. Deposizione chimica da vapore (CVD)
La deposizione chimica da vapore (CVD) è uno dei metodi più promettenti per produrre grafene monostrato di alta qualità su grandi superfici.
Nella CVD si utilizza una fonte di gas idrocarburi.
La crescita avviene attraverso la diffusione e la segregazione del carbonio in un substrato metallico con elevata solubilità del carbonio (ad esempio, Ni) o attraverso l'adsorbimento superficiale in un metallo con bassa solubilità del carbonio (ad esempio, Cu).
Il metodo del vapor-trapping, una tecnica specifica di CVD, prevede l'utilizzo di un tubo di quarzo grande e uno piccolo in cui il CH4/H2 viene immesso nel tubo grande e il foglio di Cu viene caricato nel tubo piccolo.
Questo metodo consente la crescita di fiori di grafene a grana grossa creando una distribuzione quasistatica dei gas reagenti e riducendo l'apporto di carbonio.
2. Esfoliazione in fase liquida
L'esfoliazione in fase liquida comporta l'esfoliazione della grafite sfusa all'interno di un solvente utilizzando energia.
In genere, si utilizzano solventi non acquosi come il n-metil-2-pirrolidone (NMP) o soluzioni acquose con un tensioattivo.
L'energia per l'esfoliazione può provenire dalla sonicazione a ultrasuoni o da forze di taglio elevate.
Questo metodo è adatto alla produzione di massa, ma in genere comporta una qualità elettrica inferiore rispetto alla CVD.
3. Sublimazione del carburo di silicio (SiC)
La sublimazione del carburo di silicio (SiC) prevede la decomposizione termica di un substrato di SiC in un vuoto spinto per ridurre al minimo la contaminazione.
Il carbonio in eccesso sulla superficie si riorganizza per formare un reticolo esagonale, dando origine al grafene epitassiale.
Tuttavia, questo metodo è costoso e richiede grandi quantità di Si per la produzione su larga scala.
4. Crescita diretta su substrati non metallici
La crescita diretta su substrati non metallici prevede la crescita del grafene direttamente su superfici non metalliche, che hanno un'attività catalitica più debole rispetto alle superfici metalliche.
Questo problema può essere compensato utilizzando temperature elevate, catalisi assistita da metalli o CVD potenziata al plasma.
Sebbene la qualità del grafene prodotto con questo metodo non sia altrettanto elevata, è considerato un metodo potenziale per future applicazioni industriali.
5. Ibridi 2D
Gli ibridi 2D prevedono l'ibridazione del grafene con altri materiali 2D per migliorare le applicazioni tecnologiche.
Ad esempio, l'utilizzo di film di nitruro di boro esagonale (h-BN) come substrati può migliorare le caratteristiche di corrente-tensione dei FET al grafene.
Questi ibridi possono essere creati impilando i materiali con un trasferimento strato per strato o con una crescita diretta, che offre scalabilità e minore contaminazione.
Ognuno di questi metodi ha i suoi vantaggi e le sue sfide, con la CVD che è la più utilizzata per la produzione di grafene di alta qualità e su grandi superfici, grazie alla sua relativa economicità e scalabilità.
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