Das gleiche Team vom Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) von IBS hatte zuvor über einkristalline, adlayerfreie Graphenfilme berichtet, die jedoch immer lange Falten enthielten (siehe Diagramm), die sich aus hohen Falten bilden, wenn das Graphen nach dem Wachstum abkühlt.
Diese Falten beeinträchtigen die Leistungsfähigkeit von später aus dem Graphen hergestellten Feldeffekttransistoren und schwächen den Film auch mechanisch.
Zu dieser Zeit erfolgte das Wachstum mit Methan bei ~1,320 K auf Kupferfolien (Cu(111)).
Eine detaillierte Studie zeigte die Falten, die sich während des Abkühlens bei oder über 1,020 K bildeten. Die Forscher machten sich also daran, Graphen darunter zu züchten, und entwickelten eine Technik, bei der eine selbstgemachte Legierungs-Wachstumsoberfläche und eine andere Gasmischung verwendet wurden.
„Dieser Durchbruch war auf viele Faktoren zurückzuführen, darunter menschlicher Einfallsreichtum und die Fähigkeit der CMCM-Forscher, großflächige einkristalline Cu-Ni(111)-Folien reproduzierbar herzustellen, auf denen das Graphen durch chemische Gasphasenabscheidung unter Verwendung einer Mischung von Ethylen mit Wasserstoff in einem Argongasstrom“, sagte Rod Ruoff, Direktor von CMCM.
„Dieser faltenfreie Graphenfilm bildet sich als Einkristall über das gesamte Wachstumssubstrat, weil er eine einzige Orientierung über LEED-Mustern [großflächige niederenergetische Elektronenbeugung] zeigt“, sagte Forschungskollege Seong Won Kyung.
Graphen-FETs, die auf dem nahezu perfekten Graphen in einer Vielzahl von Orientierungen in Bezug auf das Graphen gemustert waren, zeigten laut dem Institut eine „bemerkenswert gleichmäßige Leistung“ mit durchschnittlichen Elektronen- und Lochbeweglichkeiten bei Raumtemperatur von 7×103cm2/V/s.
„Eine solch bemerkenswert gleichmäßige Leistung ist möglich, weil der faltenfreie Graphenfilm ein Einkristall ist, der im Wesentlichen keine Unvollkommenheiten aufweist“, sagte Yunqing Li, Forscher am Ulsan National Institute of Science Technologie (UNIST), mit dem CMCM zusammengearbeitet hat.
Der Prozess funktioniert über 1,000 bis 1,030 K und skaliert: mit nahezu perfektem Graphen, das gleichzeitig auf beiden Seiten von fünf 40 x 70 mm CuNi-Folien in einem von IBS gebauten 150-mm-Quarzofen gewachsen wird.
Elektrochemischer Blasentransfer hob die Graphenschichten frei und ließ die Folien für die Wiederverwendung bereit – nach fünf Wachstumszyklen betrug der Nettoverlust an Legierung aus den Folien 100 μg.
Es stellte sich heraus, dass zwischen Einkristall-Plateaus „gebündelte Stufenkanten“-Regionen wachsen, und diese Regionen delaminieren, wodurch das Material vom Substrat klettern kann. „Wir haben herausgefunden, dass die Stufenbündelung einer Cu-Ni(111)-Folienoberfläche plötzlich bei etwa 1,030 K auftritt, und diese Oberflächenrekonstruktion ist der Grund, warum die kritische Wachstumstemperatur von faltenfreiem Graphen bei ~1030 K oder darunter liegt.“ sagte Ruoff.
Das Institut erwartet, dass das nahezu perfekte Graphen so wie es ist oder mit anderen 2D-Materialien gestapelt in der Forschung und Entwicklung für elektronische, photonische, mechanische und thermische Geräte verwendet wird. Das Stapeln ist besonders praktisch, da das Graphen in weniger als einer Minute von der CuNi-Folie auf ein anderes Substrat übertragen werden kann.
Die Arbeit wurde in Nature veröffentlicht.