Hetzelfde team, van het Centre for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) van IBS, had eerder een-kristal-adlayer-vrije films van grafeen gerapporteerd, maar ze bevatten altijd lange plooien (zie diagram) die zich vormen van hoge rimpels als het grafeen afkoelde na groei.
Deze plooien bederven de prestaties van veldeffecttransistoren die vervolgens van het grafeen worden gemaakt en verzwakken ook de film mechanisch.
Destijds werd voor de groei methaan gebruikt bij ~1,320K op koper (Cu(111)) folies.
Gedetailleerd onderzoek toonde de plooien aan die gevormd werden tijdens afkoeling op of boven 1,020K, dus de onderzoekers wilden grafeen daaronder laten groeien en bedachten een techniek met behulp van een zelfgemaakt groeioppervlak van een legering en een ander gasmengsel.
“Deze doorbraak was te danken aan vele factoren, waaronder menselijke vindingrijkheid en het vermogen van CMCM-onderzoekers om reproduceerbaar grote eenkristal Cu-Ni(111)-folies te maken, waarop het grafeen werd gekweekt door chemische dampafzetting met behulp van een mengsel van ethyleen met waterstof in een stroom argongas”, onthulde Rod Ruoff, directeur van CMCM.
"Deze vouwvrije grafeenfilm vormt zich als een enkel kristal over het hele groeisubstraat omdat het een enkele oriëntatie vertoont over LEED-patronen [groot gebied met lage energie-elektronendiffractie]", zei collega-onderzoeker Seong Won Kyung.
Grafeen-FET's met patronen op het bijna perfecte grafeen, in verschillende oriëntaties met betrekking tot het grafeen, vertoonden "opmerkelijk uniforme prestaties", volgens het Instituut, met gemiddelde kamertemperatuur elektron- en gatenmobiliteit van 7 × 103cm2/V/s.
“Zulke opmerkelijk uniforme prestaties zijn mogelijk omdat de vouwvrije grafeenfilm een enkel kristal is met in wezen geen onvolkomenheden”, zegt Yunqing Li, een onderzoeker van het Ulsan National Institute of Science en Technologie (UNIST), waarmee CMCM samenwerkte.
Het proces werkt over 1,000 tot 1,030K en schaalt: met bijna perfect grafeen dat gelijktijdig wordt gekweekt aan beide zijden van vijf 40 x 70 mm CuNi-folies in een door IBS gebouwde 150 mm kwartsoven.
Elektrochemische bubbeloverdracht tilde de grafeenlagen op, waardoor de folies klaar waren voor hergebruik - na vijf groeicycli was het nettoverlies van legering van de folies 100 μg.
Het bleek dat 'gebundelde staprand'-gebieden groeien tussen eenkristalplateaus, en deze gebieden delamineren, waardoor het materiaal van het substraat kan klimmen. "We ontdekten dat stapsgewijs bundelen van een Cu-Ni (111) folie-oppervlak plotseling optreedt bij ongeveer 1,030 K, en deze oppervlaktereconstructie is de reden waarom de kritische groeitemperatuur van vouwvrij grafeen ~ 1030 K of lager is", zei Ruoff.
Het instituut verwacht dat het bijna perfecte grafeen zal worden gebruikt, zoals het is of gestapeld met andere 2D-materialen, in R&D voor elektronische, fotonische, mechanische en thermische apparaten. Stapelen is bijzonder handig omdat het grafeen in minder dan een minuut van de CuNi-folie op een ander substraat kan worden overgebracht.
Het werk is gepubliceerd in Nature.