Il grafene viene coltivato sul rame soprattutto grazie alla sua bassa solubilità al carbonio, che facilita un meccanismo di crescita basato sulla superficie che consente di ottenere fogli di grafene di alta qualità e di grande superficie.
Questo metodo è particolarmente efficace nei processi di deposizione chimica da vapore (CVD), in cui il rame funge da catalizzatore e substrato.
Perché il grafene cresce sul rame? 5 ragioni chiave spiegate
1. Bassa solubilità del carbonio nel rame
Il rame ha una bassa solubilità del carbonio rispetto ad altri metalli di transizione come il nichel.
Questa proprietà è fondamentale perché consente un meccanismo di crescita del grafene basato sulla superficie.
Nei processi CVD, quando il rame è esposto a idrocarburi gassosi ad alte temperature, gli atomi di carbonio degli idrocarburi non si dissolvono facilmente nel rame, ma formano strati di grafene sulla superficie.
Questo porta alla formazione di grafene direttamente sulla superficie del rame senza una significativa incorporazione nel substrato metallico.
2. Meccanismo di crescita superficiale
Il meccanismo di crescita superficiale sul rame è vantaggioso perché in genere produce meno difetti e grafene di qualità superiore.
Poiché il grafene si forma direttamente sulla superficie, è meno probabile che sia influenzato da impurità o difetti che potrebbero derivare dalle interazioni con il metallo in massa.
Ciò è in contrasto con il nichel, che ha un'elevata solubilità del carbonio e porta a un meccanismo in cui il carbonio si diffonde nel metallo sfuso e poi precipita come grafene durante il raffreddamento, risultando spesso in un grafene multistrato con più difetti.
3. Produzione di grafene su larga scala
I substrati di rame sono favoriti anche perché consentono la produzione di fogli di grafene di grande superficie.
L'uso di involucri di rame come substrati fornisce un ampio sito di deposizione per il grafene.
Grazie a un attento controllo dei parametri del processo CVD, come la temperatura e la pressione, i ricercatori sono riusciti a far crescere fogli di grafene monocristallino con dimensioni fino a 2 mm.
Questa scalabilità è importante per le applicazioni pratiche, in particolare nell'elettronica e nella fotonica, dove sono richiesti film di grafene grandi e uniformi.
4. Riduzione delle sfide di trasferimento
La crescita del grafene direttamente sul rame può anche ridurre alcune delle sfide associate al trasferimento del grafene dal substrato di crescita ad altri substrati per la fabbricazione di dispositivi.
La crescita diretta su rame può essere vantaggiosa per le applicazioni in cui il rame può rimanere come parte della struttura finale del dispositivo.
Ciò riduce la necessità di trasferimento e potenzialmente migliora le prestazioni e l'affidabilità complessive del dispositivo.
5. Trattamento superficiale migliorato
I ricercatori hanno anche sviluppato tecniche per migliorare ulteriormente la qualità del grafene cresciuto sul rame trattando il substrato di rame prima del processo CVD.
Questo può comportare trattamenti chimici che riducono l'attività catalitica, aumentano la dimensione dei grani del rame e modificano la morfologia della superficie per facilitare la crescita del grafene con meno imperfezioni.
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