Chemical Bonding Elucidation of Graphene Films Synthesized by Low Temperature CVD-Growth

Stel je voor dat je een piepkleine architect bent die probeert het sterkste, dunste, meest magische vel materiaal in het universum te bouwen. Dit materiaal wordt grafeen genoemd en het bestaat uit koolstofatomen die gerangschikt zijn in een perfect honingraatpatroon, zoals een microscopisch klein kippendraadhekje. Het is zo licht en sterk dat wetenschappers dromen van het gebruik ervan om snellere computers, flexibele schermen en superefficiënte zonnepanelen te bouwen. Maar het bouwen van grafeen is lastig. Meestal heb je ingrediënten nodig die worden verhit op temperaturen heter dan een vulkaan (rond de 1000°C) om de koolstofatomen correct aan elkaar te laten klikken. Dat is duur en moeilijk te doen op delicate materialen.

Dit artikel duikt in een hoekje van de wetenschap dat "Chemical Vapor Deposition" (CVD) wordt genoemd. Denk aan CVD als een high-tech oven waarbij je een gas of een vloeistof op een heet metalen plaat spuit, en de atomen in die spray aan de plaat blijven plakken om een nieuwe laag te vormen. De grote vraag hier is: Kunnen we grafeen maken bij veel lagere temperaturen, zoals een zacht pruttelen in plaats van een kolkend vuur? Om dit te bereiken, spelen de onderzoekers met "precursors" — de begin-ingrediënten. In plaats van eenvoudige gassen zoals methaan te gebruiken, mengen ze een vloeibaar oplosmiddel (chloorbenzeen) met een plastic-achtig polymeer (PMMA). Het is also�endig een perfecte taart proberen te bakken met een complexe beslag in plaats van alleen bloem en water. Het doel is om te zien of dit rommelige, laag-temperatuur recept nog steeds het perfecte honingraatpatroon kan produceren, en zo ja, hoe de chemische "lijm" die het bij elkaar houdt eruitziet.

Het Keukenexperiment bij Lage Temperatuur

In dit onderzoek besloten de onderzoekers te testen of ze grafeen op koperfolie konden laten groeien met een speciale vloeibare mengeling van PMMA en chloorbenzeen, terwijl ze de temperatuur van de oven tussen de 400°C en 700°C hielden. Dat is aanzienlijk koeler dan de gebruikelijke 1000°C die vereist is voor standaard grafeenrecepten. Ze behandelden de koperfolie als een schoon canvas, door het eerst te schuren en op te warmen tot 900°C om roest of vuil te verwijderen, zodat het oppervlak klaar was om de koolstofatomen op te vangen.

Zodra het koper was voorbereid, lieten ze hun speciale vloeibare mengsel op een glijbaan druppelen en verwarmden ze het tot 180°C om de koolstof vrij te laten. Deze koolstofdamp dreef over de hete koperfolie. Het team speelde met de temperatuur van het koper en testte deze op 400°C, 500°C, 600°C en 700°C, om te zien welke instelling de beste "taart" produceerde.

Wat Ze Vonden: De Goldilocks-zone

De resultaten waren als het vinden van de perfecte plek in een rij ovens. Wanneer ze het grafeen groeiden bij 600°C, was dat de "Goldilocks"-temperatuur — niet te koud, niet te warm. Bij deze specifieke temperatuur waren de grafeenlagen het meest uniform en hadden ze de beste structuur.

Om hun werk te controleren, gebruikten ze een instrument genaamd Raman-spectroscopie, wat lijkt op het schijnen van een speciaal laserlicht op het materiaal om te zien hoe het vibreert. De laser onthulde twee belangrijke "noten" of pieken in het geluid van het grafeen: de G-band en de 2D-band. De verhouding tussen deze twee noten vertelde hen hoeveel lagen grafeen ze hadden. Bij 600°C was de verhouding 0,45, wat suggereerde dat ze succesvol een paar lagen hoogwaardig grafeen hadden gegroeid. Als de temperatuur te laag was (400°C) of te hoog (700°C), waren de noten rommelig, wat erop wees dat het grafeen ofwel te dik of vol defecten was.

Het Chemische Detectiewerk

Maar de onderzoekers wilden niet alleen weten of ze grafeen hadden gemaakt; ze wilden ook weten hoe de atomen elkaars hand vasthielden. Ze gebruikten een techniek genaamd X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) om naar de energieniveaus van de elektronen te kijken. Ze ontdekten dat de koolstofatomen voornamelijk gebonden waren in een platte, honingraatstijl (genoemd sp2), wat grafeen bijzonder maakt. Het energieniveau voor deze binding was ongeveer 284,3 eV. Ze zagen ook een klein beetje koolstof in een andere, bobbelige vorm (sp3) bij 284,9 eV, wat normaal is voor dit soort experimenten.

Ze merkten ook op dat zuurstof het op één na meest voorkomende element was dat rondhing. Dit was niet omdat ze zuurstof daar wilden hebben; het kwam waarschijnlijk doordat ze niet elk enkel atoom zuurstof van het koberoppervlak konden schrapen voordat ze begonnen. Het is alsof je probeert een aanrecht perfect schoon te maken voordat je gaat bakken, maar er zit nog steeds een klein kruimeltje meel in een hoekje.

Om een nog beter beeld van de elektronische structuur te krijgen, gebruikten ze Near-Edge X-ray Absorption Spectroscopy (NEXAFS). Dit is als het maken van een 3D X-ray van de elektronenwolken. Ze zagen dat naarmate de temperatuur steeg van 400°C naar 700°C, de "orde" van het grafeen verbeterde. De pieken die de perfecte koolstof-koolstofverbindingen vertegenwoordigen werden scherper en sterker, terwijl de pieken die rommelige defecten en zuurstofgroepen vertegenwoordigen, zwakker werden. Dit suggereert dat het opwarmen tot 600°C de koolstofatomen hielp om zich te rangschikken in een schonere, meer georganiseerde laag.

Het Eindbeeld

Toen ze naar het grafeen keken onder een Transmission Electron Microscope (TEM), die werkt als een superkrachtige loep, zagen ze het beroemde honingraatpatroon. Echter, ze zagen ook dat het grafeen niet één enkel, groot vel was. In plaats daarvan bestond het uit vele kleine, hexagonale "eilanden" of domeinen, omringd door wat amorfe (rommelige) koolstof. Het is als een mozaïekvloer gemaakt van perfecte hexagonale tegels, maar met wat voegwerk en extra klei die de gaten tussen de tegels opvullen.

De studie concludeert dat het gebruik van dit PMMA-chloorbenzeen-mengsel een levensvatbare manier is om grafeen bij lagere temperaturen te laten groeien. Hoewel het grafeen geen perfect, enkelvoudig laag vel was dat het hele koperfol bedekte, produceerde de 600°C-instelling de beste kwaliteit, met de meest georganiseerde structuur en de minste defecten. De onderzoekers suggereren dat deze methode de deur opent naar meer duurzame manieren om grafeen te maken, wat potentieel mogelijk maakt om het te laten groeien op materialen die zouden smelten als ze werden blootgesteld aan de extreme hitte van traditionele methoden. Ze hebben niet elk probleem opgelost — er hangt nog steeds wat rommelige koolstof en zuurstof rond — maar ze hebben aangetoond dat een recept met een lagere temperatuur inderdaad een zeer veelbelovende taart kan bakken.