Avance pionero: Creación del grafeno más perfecto

El director Ruoff señala que "este avance pionero se debe a muchos factores, entre ellos el ingenio humano y la capacidad de los investigadores del CMCM para fabricar de forma reproducible láminas monocristalinas de Cu-Ni(111) de gran superficie, sobre las que se cultivó el grafeno mediante deposición química de vapor (CVD) utilizando una mezcla de etileno con hidrógeno en una corriente de gas argón." El estudiante Meihui Wang, el Dr. Ming Huang y el Dr. Da Luo, junto con Ruoff, llevaron a cabo una serie de experimentos de crecimiento de grafeno monocristalino y monocapa en estas láminas de Cu-Ni(111) "caseras" a diferentes temperaturas.

El equipo ya había informado de películas monocristalinas y monocapas de grafeno cultivadas con metano a temperaturas de ~1320 grados Kelvin (K) en láminas de Cu(111). Las adláteres se refieren a pequeñas "islas" de regiones que tienen otra capa de grafeno presente. Sin embargo, estas láminas siempre contenían largos "pliegues" que son consecuencia de las altas arrugas que se forman cuando el grafeno se enfría desde la temperatura de crecimiento hasta la temperatura ambiente. Esto da lugar a una reducción indeseable del rendimiento del transistor de efecto de campo de grafeno (GFET) si el "pliegue" se encuentra en la región activa del GFET. Los pliegues también contienen "grietas" que reducen la resistencia mecánica del grafeno.

El siguiente reto apasionante era, pues, eliminar estos pliegues.

Los investigadores del CMCM llevaron a cabo primero una serie de experimentos de "ciclado" que consistían en "ciclar" la temperatura inmediatamente después de cultivar el grafeno a 1320 K. Estos experimentos demostraron que los pliegues se forman a 1020 K o más durante el proceso de enfriamiento. Después de conocer esto, el equipo decidió cultivar grafeno en láminas de Cu-Ni(111) a varias temperaturas diferentes en torno a los 1020 K, lo que llevó a descubrir que se pueden cultivar películas de grafeno monocristalinas de gran superficie, alta calidad, sin pliegues y sin capas en un rango de temperaturas entre 1000 K y 1030 K. "Esta película de grafeno sin pliegues se forma como un único cristal en todo el sustrato de crecimiento porque muestra una única orientación en un patrón de difracción de electrones de baja energía de gran superficie (LEED)", señaló SEONG Won Kyung, investigador principal del CMCM que instaló el equipo LEED en el centro. A continuación, Yunqing Li, estudiante de postgrado del UNIST, creó un patrón de GFET sobre este grafeno monocristalino sin pliegues en varias direcciones. Estos GFETs mostraron un rendimiento notablemente uniforme con movilidades medias de electrones y agujeros a temperatura ambiente de 7,0 ± 1,0 ×¹⁰³ cm2 V-1 s-1. Li señala: "Este rendimiento extraordinariamente uniforme es posible porque la película de grafeno sin pliegues es un cristal único sin apenas imperfecciones".

Y lo que es más importante, el equipo de investigación fue capaz de lograr un "escalado" de la producción de grafeno mediante este método. El grafeno se cultivó con éxito en 5 láminas (de dimensiones 4 cm x 7 cm) simultáneamente en un horno de cuarzo de 6 pulgadas de diámetro construido en casa. "Nuestro método de cultivo de películas de grafeno sin pliegues es muy reproducible, ya que cada lámina produce dos trozos idénticos de películas de grafeno de alta calidad en ambas caras de la lámina", y "utilizando el método de transferencia por burbujeo electroquímico, el grafeno puede desprenderse en aproximadamente 1 minuto y la lámina de Cu-Ni(111) puede prepararse rápidamente para el siguiente ciclo de crecimiento/transferencia", señala Meihui Wang. Ming Huang añade: "Cuando comprobamos la pérdida de peso de las láminas de Cu-Ni(111) tras 5 ciclos de crecimiento y transferencia, la pérdida neta fue de sólo 0,0001 gramos. Esto significa que nuestros métodos de crecimiento y transferencia utilizando el Cu-Ni(111) pueden realizarse repetidamente, esencialmente de forma indefinida".

En el proceso de conseguir un grafeno monocristalino sin pliegues, los investigadores también descubrieron las razones de la formación de estos pliegues. El estudiante CHOE Myeonggi y el profesor LEE Zonghoon (jefe de grupo en CMCM y profesor del UNIST) realizaron imágenes TEM de alta resolución para observar las secciones transversales de las muestras cultivadas por encima de 1040 K. Descubrieron que la adhesión muerta, que es la causa de los pliegues, se inicia en las regiones de "borde de paso agrupado" entre las mesetas monocristalinas de Cu-Ni(111). "Esta adhesión muerta en las regiones de bordes de escalón agrupados desencadena la formación de pliegues de grafeno perpendiculares a la dirección de los bordes de escalón", señala Luo, coautor de la investigación. Ruoff señala además que "descubrimos que el agrupamiento de la superficie de una lámina de Cu-Ni(111) se produce repentinamente a unos 1030 K, y que esta "reconstrucción de la superficie" es la razón por la que la temperatura crítica de crecimiento del grafeno sin pliegues está a ~1030 K o menos".

Esta película de grafeno monocristalino sin pliegues de gran superficie permite la fabricación directa de dispositivos integrados de alto rendimiento orientados en cualquier dirección sobre toda la película de grafeno. Estas películas de grafeno monocristalino serán importantes para seguir avanzando en la ciencia básica, lo que dará lugar a nuevas aplicaciones en los ámbitos electrónico, fotónico, mecánico y térmico, entre otros. El grafeno casi perfecto también es útil para el apilamiento, ya sea con él mismo y/o con otros materiales 2D, para ampliar aún más la gama de posibles aplicaciones. Dado que las láminas de Cu-Ni(111) pueden utilizarse repetidamente y que el grafeno puede transferirse a otros sustratos en menos de un minuto, la fabricación escalable mediante este proceso es también muy prometedora.

Otro aspecto interesante de este artículo es que incluye el documento "Transparent Peer Review" de Nature, de modo que los lectores pueden leer los comentarios de los revisores y las refutaciones de los autores para también "observar" el proceso de revisión científica. El artículo pasó por dos ciclos de revisión y, por tanto, por tres revisiones del texto principal y del documento de información suplementaria antes de ser aceptado. Cuando el proceso de revisión "funciona bien", los revisores ofrecen comentarios y preguntas útiles que los autores pueden reflexionar y tratar de responder. Ruoff y Luo señalaron que "Nos sumergimos de nuevo en nuestros laboratorios en el CMCM y realmente trabajamos duro para responder a los comentarios de los revisores y también para abordar otros aspectos interesantes de la ciencia durante el tiempo de 6 meses entre nuestro manuscrito originalmente enviado a Nature, y su aceptación después de 3 rondas de revisión". Ruoff señala además que "hemos tenido algunas experiencias realmente malas con los procesos de revisión en los últimos años, con un comportamiento poco profesional/improvisado por parte de los revisores e incluso de los editores encargados, incluso en algunas revistas muy "famosas". Esto fue como un enorme soplo de aire fresco para nosotros después de estas experiencias realmente horribles y negativas: obtuvimos revisiones profesionales y toda la experiencia de revisión fue profesional en todos los sentidos". Un dato no es un estudio estadístico, pero si la "Transparent Peer Review" desempeñó un papel en la consecución de este nivel adecuado de profesionalidad, entonces otras revistas podrían querer considerarlo."