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Flocos de neve gravados em grafeno na Skoltech. As áreas claras são grafeno e as escuras são cobre oxidado. O padrão de floco de neve surgiu quando o grafeno circundante foi eliminado pelo dióxido de carbono em um dos experimentos antes que a composição ideal do gás fosse encontrada. Crédito: Artem Grebenko/Skoltech
Os pesquisadores propuseram o primeiro grafeno técnica de síntese que utiliza monóxido de carbono como fonte de carbono. É uma maneira rápida e barata de produzir grafeno de alta qualidade com equipamentos relativamente simples para uso em circuitos eletrônicos, sensores de gás, óptica e muito mais. O estudo foi publicado na prestigiada revista Ciência Avançada por pesquisadores do Instituto Skolkovo de Ciência e Tecnologia (Skoltech), Instituto de Física e Tecnologia de Moscou (MIPT), Instituto RAS de Física do Estado Sólido, Universidade Aalto e outros lugares.
A deposição química de vapor (CVD) é a tecnologia padrão para sintetizar grafeno, o únicoátomo-folha espessa de átomos de carbono em um arranjo de favo de mel com propriedades incomparáveis, úteis para aplicações eletrônicas e muito mais. A DCV geralmente envolve átomos de carbono que se separam das moléculas de gás e se depositam em um substrato como uma monocamada em uma câmara de vácuo. O cobre é um substrato popular e os gases utilizados sempre foram hidrocarbonetos: metano, propano, acetileno, álcool, etc.
“A ideia de sintetizar grafeno a partir do monóxido de carbono surgiu há muito tempo, pois esse gás é uma das fontes de carbono mais convenientes para o crescimento de nanotubos de carbono de parede única. Temos experiência de trabalho com monóxido de carbono há quase 20 anos. No entanto, nossos primeiros experimentos com grafeno não tiveram sucesso e demoramos muito para entender como controlar a nucleação e o crescimento do grafeno. A beleza do monóxido de carbono está em sua decomposição exclusivamente catalítica, o que nos permitiu implementar a síntese autolimitada de grandes cristais de grafeno de camada única, mesmo à pressão ambiente”, diz o investigador principal do estudo, professor Albert Nasibulin da Skoltech.
O grafeno é uma camada única de átomos de carbono dispostos em uma nanoestrutura bidimensional em forma de favo de mel.
“Este projeto é um dos exemplos brilhantes de como os estudos fundamentais beneficiam as tecnologias aplicadas. As condições otimizadas que levam à formação de grandes cristais de grafeno tornaram-se viáveis devido à compreensão do mecanismo cinético profundo para a formação e crescimento do grafeno, verificado tanto pela teoria quanto pelo experimento”, disse um coautor do artigo, o cientista pesquisador sênior Dmitry Krasnikov da Skoltech. estresse.
O novo método beneficia do princípio da chamada autolimitação. Em altas temperaturas, as moléculas de monóxido de carbono tendem a se decompor em átomos de carbono e oxigênio quando se aproximam do substrato de cobre. No entanto, uma vez que a primeira camada de carbono cristalino é depositada e separa o gás do substrato, esta tendência diminui, de modo que o processo favorece naturalmente a formação de uma monocamada. A DCV baseada em metano também pode operar de forma autolimitada, mas em menor grau.
“O sistema que usamos tem uma série de vantagens: o grafeno resultante é mais puro, cresce mais rápido e forma cristais melhores. Além disso, esse ajuste evita acidentes com hidrogênio e outros gases explosivos, eliminando-os completamente do processo”, afirma o primeiro autor do estudo, Artem Grebenko, estagiário da Skoltech.
O facto de o método excluir riscos de combustão significa que não é necessário vácuo. O aparelho funciona com pressão padrão, tornando-o muito mais simples que o equipamento CVD convencional. O design simplificado, por sua vez, leva a uma síntese mais rápida. “Leva apenas 30 minutos entre pegar um pedaço de cobre e extrair o grafeno”, diz Grebenko.
Como o vácuo não é mais necessário, o equipamento não apenas funciona mais rápido, mas também fica mais barato. “Depois de abandonar o hardware de última geração para gerar vácuo ultra-alto, você poderá montar nossa 'solução de garagem' por não mais do que US$ 1.000”, enfatiza o pesquisador.
O coautor do estudo, Boris Gorshunov, professor do MIPT, enfatiza a alta qualidade do material resultante: “Sempre que uma nova técnica de síntese de grafeno é apresentada, é imperativo que os pesquisadores provem que ela produz o que afirmam que produz. Após testes rigorosos, podemos dizer com confiança que o nosso é de fato grafeno de alta qualidade que pode competir com o material produzido via CVD a partir de outros gases. O material resultante é cristalino, puro e vem em pedaços grandes o suficiente para serem usados em eletrônica.”
Além das aplicações padrão do grafeno como tal, existem possibilidades intrigantes de usar o grafeno ligado ao substrato de cobre – sem remover o metal. Comparado com o metano, o monóxido de carbono tem uma energia de adesão ao metal muito alta. Isso significa que, à medida que ocorre a deposição, o grafeno protege a camada de cobre das reações químicas e lhe confere estrutura, criando uma superfície metálica altamente desenvolvida com excelentes propriedades catalíticas. Alguns outros metais, como o rutênio e o paládio, também funcionariam neste contexto para abrir um caminho para novos materiais com superfícies incomuns.
Referência: “Grafeno de alta qualidade usando reação Boudouard” por Artem K. Grebenko, Dmitry V. Krasnikov, Anton V. Bubis, Vasily S. Stolyarov, Denis V. Vyalikh, Anna A. Makarova, Alexander Fedorov, Aisuluu Aitkulova, Alena A Alekseeva, Evgeniia Gilshtein, Zakhar Bedran, Alexander N. Shmakov, Liudmila Alyabyeva, Rais N. Mozhchil, Andrey M. Ionov, Boris P. Gorshunov, Kari Laasonen, Vitaly Podzorov e Albert G. Nasibulin, 20 de fevereiro de 2022, Ciência Avançada.
DOI: 10.1002/advs.202200217
Além de Skoltech, MIPT, ISSP RAS e Aalto, o estudo relatado nesta história contou com a participação de pesquisadores da HSE University, Dukhov Research Institute of Automatics, Donostia International Physics Center, NUST MISIS, FU Berlin, IFW Dresden, Swiss Federal Laboratories for Materials Science e Tecnologia, Instituto Boreskov de Catálise, MEPhI e Universidade Rutgers. Os pesquisadores da Skoltech também reconhecem o trabalho realizado na fonte de luz BESSY II no HZB Berlim como importante para o estudo.