Il meccanismo di crescita del grafene è influenzato principalmente dal tipo di catalizzatore metallico utilizzato: i più comuni sono il rame (Cu) e il nichel (Ni). Il Cu, con la sua bassa solubilità del carbonio, facilita un meccanismo di crescita superficiale in cui il grafene si forma ad alte temperature sulla superficie del Cu attraverso la decomposizione degli idrocarburi. Al contrario, il Ni, grazie alla sua elevata solubilità del carbonio, consente un meccanismo di segregazione superficiale e precipitazione. In questo caso, il carbonio si diffonde nel Ni sfuso ad alte temperature e si segrega al raffreddamento, portando alla formazione di fogli di grafene sulla superficie del metallo.
Crescita superficiale su Cu:
La crescita del grafene sul Cu comporta un processo in cui gli idrocarburi si decompongono ad alte temperature, rilasciando atomi di carbonio che poi si assemblano sulla superficie del Cu. Questo meccanismo è favorito dal fatto che il Cu non dissolve facilmente il carbonio, costringendolo a rimanere sulla superficie e a formare grafene. La crescita è tipicamente un processo bidimensionale, in cui le specie di carbonio si aggiungono ai bordi delle isole di grafene in crescita, per poi coalescere in un monostrato continuo. Una volta formato uno strato completo, la superficie diventa meno reattiva, inibendo l'ulteriore crescita di altri strati.Segregazione e precipitazione su Ni:
Al contrario, il meccanismo di crescita su Ni è più complesso a causa della sua capacità di dissolvere il carbonio. Durante la sintesi ad alta temperatura, gli atomi di carbonio si diffondono nella massa di Ni. Quando il sistema si raffredda, questi atomi di carbonio si separano e precipitano dal Ni, formando strati di grafene sulla superficie. Questo processo è influenzato dalla velocità di raffreddamento e dalla concentrazione iniziale di carbonio nel Ni, che può influire sul numero e sulla qualità degli strati di grafene prodotti.
Influenza delle condizioni di sintesi:
La nucleazione e la crescita del grafene dipendono fortemente da varie condizioni di sintesi, come la temperatura, la pressione, il flusso e la composizione del precursore e le proprietà del catalizzatore, tra cui la cristallinità, la composizione, la sfaccettatura del cristallo e la rugosità della superficie. Questi fattori possono influenzare in modo significativo la forma, l'orientamento, la cristallinità, la densità di nucleazione, la densità dei difetti e l'evoluzione dei cristalli di grafene.
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