إنتاج الجرافين باستخدام بلورات النحاس

يمكن أن تؤدي ملاحظة جديدة إلى تحسين الإنتاج الصناعي للجرافين عالي الجودة، مما يبشر بعصر الإلكترونيات القائمة على الجرافين، وذلك بفضل المهندسين في جامعة إلينوي.

يمكن أن تؤدي ملاحظة جديدة إلى تحسين الإنتاج الصناعي للجرافين عالي الجودة، مما يبشر بعصر الإلكترونيات القائمة على الجرافين، وذلك بفضل المهندسين في جامعة إلينوي.

وباستخدام مجموعة من المعلومات المستمدة من عدة طرق تصوير، وجد فريق البحث أن جودة الجرافين تعتمد على البنية البلورية للركيزة النحاسية التي يتم إنتاجها عليها. ونشرت المجموعة، بقيادة أستاذي هندسة الكمبيوتر والإلكترونيات جوزيف ليدينج وإريك بوب، نتائج أبحاثهم في المجلة العلمية Nano Letters.

يقول ليدينج: "إن الجرافين مادة ذات أهمية خاصة". "قد يعتمد مستقبل مجال الإلكترونيات على ذلك. ويعد مستوى جودة إنتاجها إحدى المشكلات التي لم يتم حلها بعد في قطاع تكنولوجيا النانو، وتشكل نتائج بحثنا خطوة أخرى في الاتجاه نحو الحل."

من أجل إنتاج صفائح واسعة من مادة الجرافين، يتم حقن غاز الميثان في فرن يحتوي على ورقة من رقائق النحاس. عندما يصطدم الميثان بالنحاس، تتكسر روابط الكربون والهيدروجين الموجودة فيه، ويتحرر الهيدروجين على شكل غاز بينما ترتبط ذرات الكربون بسطح النحاس، حيث تتحرك حتى لحظة اتصالها ببعضها البعض وبالتالي تشكيل طبقة الجرافين. يعتبر النحاس من الركائز المطلوبة لأنه رخيص نسبيًا ولأنه قادر على تشجيع إنتاج الجرافين أحادي الطبقة، وهو منتج مهم لتطبيقات الإلكترونيات. يقول أحد الباحثين: "هذه طريقة اقتصادية ومباشرة لتحضير الجرافين على نطاق واسع". ويضيف: "ومع ذلك، فإن هذه العملية لا تأخذ في الاعتبار تعقيدات آلية إنتاج الجرافين". "إن فهم هذه التفاصيل الدقيقة مهم لإنتاج مكونات إلكترونية عالية الجودة ذات مستوى عالٍ من الأداء."

على الرغم من أن الجرافين المنتج على النحاس يميل إلى أن يكون ذو جودة أعلى من الجرافين المنتج على أنواع أخرى من الركائز، إلا أنه لا يزال مليئًا بالعيوب والمناطق متعددة الطبقات، وهما حقيقتان تمنعان استخدامه في التطبيقات عالية الأداء. واعتقد الباحثون أن الخشونة الطبيعية لسطح النحاس قد تؤثر على قبول الجرافين، لكن المجموعة البحثية من جامعة إلينوي وجدت أن التركيب البلوري للنحاس هو العامل الأكثر أهمية. رقائق النحاس عبارة عن خليط ولها هياكل بلورية مختلفة. منذ اللحظة التي يصل فيها الميثان إلى سطح الرقاقة، تؤثر أشكال بلورات النحاس التي يلتقي بها على جودة الجرافين الذي سيتم الحصول عليه من ذرات الكربون.

يتم تعيين قيم عددية محددة للأشكال البلورية المختلفة. وباستخدام العديد من طرق التصوير المتقدمة، وجد فريق البحث أن ركائز النحاس ذات الأرقام القياسية الأعلى تميل إلى إنتاج جرافين أقل جودة. بالإضافة إلى ذلك، اكتشف أن تركيبين بلوريين شائعين، المسمى (100) و(111)، يؤديان إلى أسوأ وأفضل جودة، على التوالي. البلورات ذات البنية (100) لها شكل مكعب ولها مساحات كبيرة بين الذرات، بينما البلورات من النوع (111) لها بنية سداسية مكتظة بكثافة.

"في هيكل من النوع (100)، هناك احتمال أكبر لأن تغوص ذرات الكربون في الثقوب الموجودة في النحاس على المستوى الذري، وفي الخطوة التالية ستتصل عموديًا مع بعضها البعض، أكثر من أنها ستتصل ببعضها البعض بشكل عمودي". يشرح الباحث: "تطير وتتواصل مع بعضها البعض في المحور العرضي". "السطح (111) سداسي، وكذلك الجرافين نفسه. هذا لا يعني أن المباراة مثالية، ولكن هناك تطابق مفضل بين هذين السطحين."

يواجه الباحثون الآن مسألة موازنة سعر (111) نوع فقط من النحاس مقابل قيمة الجرافين عالي الجودة الخالي من العيوب. على الرغم من أنه من الممكن إنتاج النحاس أحادي البلورة، إلا أن العملية معقدة ومكلفة.

ويقدر الباحثون أنه من الممكن تحسين عمليات إنتاج رقائق النحاس بحيث تؤدي إلى الحصول على كمية أكبر من البلورات من النوع المطلوب - (111). لن يكون الجرافين المنتج على مثل هذه الرقائق مثاليًا، لكنه قد يكون "جيدًا بما يكفي" لمعظم التطبيقات.

"السؤال هو كيف يمكنك تحسين العمليات مع الحفاظ على الكفاءة المالية للتطبيقات التكنولوجية؟" يسأل الباحث. "كمجتمع، ما زلنا نكتب "كتاب الطبخ" لصنع الجرافين. نحن نعمل باستمرار على تحسين أساليبنا وتجربة وصفات جديدة. وكما هو الحال مع أي تقنية في مهدها، ما زلنا نختبر ما يصلح وما لا يصلح."

وفي الخطوة التالية، يأمل الباحثون في استخدام طريقتهم لاختبار تحضير مواد أخرى ثنائية الأبعاد إلى جانب الجرافين، بما في ذلك المواد العازلة، من أجل تحسين أداء الأجهزة المعتمدة على الجرافين. وبالإضافة إلى ذلك، يخطط الباحثون لصنع الجرافين من النحاس أحادي البلورة.

ويشير الباحث الرئيسي إلى أن "هناك الكثير من عدم اليقين في مجال الجرافين اليوم". "إن حقيقة وجود اختلاف واضح في الملاحظات بين هاتين الآليتين المختلفتين للتحضير تساعد في توجيه البحث وقد تسمح بإجراء المزيد من التجارب الكمية وتطوير نماذج أفضل. مقالتنا توجه الأمور في هذا الاتجاه."

أخبار الدراسة