Lo stesso team, del Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) dell'IBS, aveva precedentemente riportato pellicole di grafene prive di strato di strato di cristallo singolo, ma contenevano sempre lunghe pieghe (vedi diagramma) che si formano da rughe alte mentre il grafene si raffreddava dopo la crescita.
Queste pieghe rovinano le prestazioni dei transistor ad effetto di campo successivamente realizzati con il grafene e indeboliscono anche meccanicamente il film.
A quel tempo, la crescita utilizzava metano a ~1,320K su fogli di rame (Cu(111)).
Uno studio dettagliato ha mostrato le pieghe formate durante il raffreddamento pari o superiori a 1,020 K, quindi i ricercatori hanno deciso di coltivare il grafene al di sotto di questo e hanno ideato una tecnica che utilizza una superficie di crescita della lega fatta in casa e una diversa miscela di gas.
“Questa svolta è stata dovuta a molti fattori che hanno contribuito, tra cui l'ingegno umano e la capacità dei ricercatori CMCM di realizzare in modo riproducibile fogli di Cu-Ni (111) monocristallo di grandi dimensioni, su cui il grafene è stato coltivato mediante deposizione chimica da vapore utilizzando una miscela di etilene con idrogeno in un flusso di gas argon", ha rivelato Rod Ruoff, direttore di CMCM.
"Questo film di grafene senza pieghe si forma come un singolo cristallo sull'intero substrato di crescita perché mostra un singolo orientamento sui modelli LEED [diffrazione elettronica a bassa energia su ampia superficie]", ha affermato il collega ricercatore Seong Won Kyung.
I FET di grafene modellati sul grafene quasi perfetto, in una varietà di orientamenti rispetto al grafene, hanno mostrato "prestazioni notevolmente uniformi", secondo l'Istituto, con mobilità media di elettroni e lacune a temperatura ambiente di 7 × 103cm2/V/s.
"Prestazioni così straordinariamente uniformi sono possibili perché la pellicola di grafene senza pieghe è un singolo cristallo essenzialmente privo di imperfezioni", ha affermato Yunqing Li, ricercatore dell'Ulsan National Institute of Science e Tecnologia (UNIST), con cui ha collaborato il CMCM.
Il processo funziona da 1,000 a 1,030 K e scala: con grafene quasi perfetto cresciuto simultaneamente su entrambi i lati di cinque fogli di CuNi da 40 x 70 mm in un forno al quarzo da 150 mm costruito da IBS.
Il trasferimento di bolle elettrochimiche ha sollevato gli strati di grafene, lasciando le lamine pronte per il riutilizzo: dopo cinque cicli di crescita, la perdita netta di lega dalle lamine era di 100 μg.
È emerso che le regioni del "bordo del gradino a grappolo" crescono tra gli altipiani di cristallo singolo e queste regioni si delaminano, consentendo al materiale di staccarsi dal substrato. "Abbiamo scoperto che il raggruppamento graduale di una superficie della lamina di Cu-Ni(111) si verifica improvvisamente a circa 1,030 K, e questa ricostruzione della superficie è il motivo per cui la temperatura di crescita critica del grafene senza pieghe è a ~ 1030 K o inferiore", disse Ruoff.
L'Istituto si aspetta che il grafene quasi perfetto venga utilizzato, così com'è o impilato con altri materiali 2D, in ricerca e sviluppo verso dispositivi elettronici, fotonici, meccanici e termici. L'impilamento è particolarmente conveniente poiché il grafene può essere trasferito dal foglio di CuNi a un altro substrato in meno di un minuto.
Il lavoro è stato pubblicato su Nature.