מעבדת הונה בקולומביה הנדסה יצרה למעלה מ-100 דגימות גרפן זהות עם שיטת השקעת האדים הכימית נטולת החמצן שלהן. קרדיט: ג'ייקוב אמונטרי וכריסטיאן קופו, אוניברסיטת קולומביה
מהנדסי קולומביה מקשרים חמצן ל גרפן לאיכות ולפתח טכניקות חדשות לייצור חומר פלא בקנה מידה.
גרפן כונה "חומר הפלא של המאה ה-21". מאז גילויו ב-2004, החומר – שכבה אחת של אטומי פחמן – זכה לכינוי בשלל התכונות הייחודיות שלו, הכוללות מוליכות חשמלית גבוהה במיוחד וחוזק מתיחה יוצא דופן. יש לו פוטנציאל לשנות אלקטרוניקה, אחסון אנרגיה, חיישנים, מכשירים ביו-רפואיים ועוד. אבל לגרפן היה סוד קטן ומלוכלך: הוא מלוכלך.
פריצת דרך בסינתזה של גרפן
עכשיו, מהנדסים ב אוניברסיטת קולומביה ועמיתים מאוניברסיטת מונטריאול והמכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) מוכנים לנקות דברים עם שיטת שקיעת אדים כימית נטולת חמצן (OF-CVD) שיכולה ליצור דגימות גרפן באיכות גבוהה בקנה מידה. עבודתם, שפורסמה ב-29 במאי ב טֶבַע, מדגים ישירות כיצד חמצן עקבות משפיע על קצב הגדילה של גרפן ומזהה לראשונה את הקשר בין איכות חמצן לאיכות גרפן.
"אנחנו מראים שסילוק כמעט כל החמצן מתהליך הגידול הוא המפתח להשגת סינתזת גרפן CVD ניתנת לשחזור ואיכותית", אמר הסופר הבכיר ג'יימס הון, פרופסור וואנג פונג-ג'ן להנדסת מכונות בקולומביה הנדסה. "זוהי אבן דרך לקראת ייצור בקנה מידה גדול של גרפן."
שיטות היסטוריות של ייצור גרפן
גרפן עבר באופן היסטורי מסונתז באחת משתי דרכים. ישנה שיטת "סקוטש", שבה מקלפים שכבות בודדות מדגימה בתפזורת של גרפיט (אותו חומר שתמצא בעופרת עיפרון) באמצעות סרט ביתי. (ראה סרטון למטה.) דגימות פילינג כאלה יכולות להיות נקיות למדי וללא זיהומים שאחרת היו מפריעים לתכונות הרצויות של הגרפן. עם זאת, הם נוטים להיות קטנים מדי – רק כמה עשרות מיקרומטרים לרוחב – עבור יישומים בקנה מידה תעשייתי, ולכן מתאימים יותר למחקר במעבדה.
כדי לעבור ממחקרי מעבדה ליישומים בעולם האמיתי, חוקרים פיתחו שיטה לסינתזה של גרפן בשטח גדול לפני כ-15 שנה. תהליך זה, המכונה גידול CVD, מעביר גז המכיל פחמן, כגון מתאן, על פני משטח נחושת בטמפרטורה גבוהה מספיק (כ-1000 מעלות צלזיוס) כדי שהמתאן יתפרק ואטומי הפחמן יתארגנו מחדש ליצירת חלת דבש אחת- שכבה בצורת גרפן.
אתגרים עם צמיחת CVD מסורתית
ניתן להגדיל את צמיחת CVD כדי ליצור דגימות גרפן בגודל של סנטימטרים או אפילו מטרים. עם זאת, למרות שנים של מאמצים של קבוצות מחקר ברחבי העולם, דגימות מסונתזות של CVD סבלו מבעיות בשחזור ובאיכות משתנה.
הבעיה הייתה חמצן. בפרסומים קודמים, המחברים המשותפים ריצ'רד מרטל ופייר לבסק ממונטריאול הראו שכמויות עקבות של חמצן יכולות להאט את תהליך הצמיחה ואף לחרוט את הגרפן. אז, לפני כשש שנים, כריסטופר דימרקו, GSAS'19, תכנן ובנה מערכת גידול CVD שבה ניתן לשלוט בקפידה על כמות החמצן המוכנסת במהלך תהליך השקיעה.
התקדמות בצמיחת CVD ללא חמצן
תלמידי הדוקטורט הנוכחיים Xingzhou Yan ו-Jacob Amontree המשיכו בעבודתו של דימרקו ושיפרו עוד יותר את מערכת הצמיחה. הם גילו שכאשר חוסלו עקבות חמצן, צמיחת CVD הייתה הרבה יותר מהירה – ונתנה את אותן תוצאות בכל פעם. הם גם חקרו את הקינטיקה של צמיחת גרפן CVD ללא חמצן ומצאו שמודל פשוט יכול לחזות את קצב הצמיחה על פני מגוון פרמטרים שונים, כולל לחץ גז וטמפרטורה.
ג'ייקוב אמונטרי (משמאל) ושינגג'ואו יאן (מימין) מציגים את גרפן ה-CVD הטהור שלהם מסונתז על פרוסות נחושת/ספיר שטוחות במיוחד. קרדיט: Zhiying Wang, אוניברסיטת קולומביה
סיכויי עתיד ויישומים
האיכות של הדגימות שגודלו ב-OF-CVD הוכיחה את עצמה כמעט זהה לזו של גרפן מגולף. בשיתוף פעולה עם עמיתים במחלקה לפיזיקה של קולומביה, הגרפן שלהם הציג עדויות בולטות לאפקט הול הקוונטי השברירי תחת שדות מגנטיים, תופעה קוונטית שנצפתה בעבר רק במערכות חשמל דו-ממדיות באיכות גבוהה במיוחד.
מכאן, הצוות מתכנן לפתח שיטה להעברה נקייה של הגרפן האיכותי שלהם מזרז גידול המתכת למצעים פונקציונליים אחרים כמו סיליקון – החלק האחרון בפאזל לנצל את מלוא היתרונות של חומר הפלא הזה.
"שנינו הוקסמנו מהגרפן ומהפוטנציאל שלו כסטודנטים לתואר ראשון", אמרו אמונטרי ויאן. "ערכנו אינספור ניסויים וסנתזנו אלפי דגימות במהלך ארבע השנים האחרונות של הדוקטורט שלנו. לראות את המחקר הזה סוף סוף מתגשם זו הגשמת חלום".
העבודה יזמה על ידי דוקטורנט להנדסת מכונות כריסטופר דימרקו והמשיכה על ידי תלמידי הדוקטורט הנוכחיים Xingzhou Yan ו-Jacob Amontree, אשר בילו את ארבע השנים האחרונות בשינוי המערכת וביצוע הניסויים המוצגים במאמר. העבודה הייתה בהנחיית פרופ' ג'יימס הונה (הנדסת מכונות) ובהובלת משותפת של פרופ' קטיון ברמק (APAM), כאשר פרופ' אבהיי פסופתי ופרופ' קורי דין (פיזיקה) סיפקו תרומות מרכזיות. הפוסט-דוקטורט מדיסן הולברוק (פיזיקה) צילם את הסריג האטומי של גרפן, ותלמידי הדוקטורט כריסטיאן קופו וז'יינג וואנג (MECE) עזרו בניתוח נתונים ובמדידות. תלמידי הדוקטורט לפיזיקה ג'ורדן פאק, דיהאו סאן ואדם ביאצ'י ביצעו מדידות חשמליות מרכזיות.
ריצ'רד מרטל ופייר לבסק מאוניברסיטת מונטריאול עזרו להנחות את המחקר ולבדוק את יכולת השחזור של התוצאות. הצוות של ד"ר אנג'לה הייט-ווקר במכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה, במיוחד ד"ר Tehseen Adel וד"ר Charlezetta Wilson-Stokes, אפיינו את הגרפן.
