El grafeno se cultiva sobre cobre principalmente debido a la baja solubilidad del carbono de este metal, lo que facilita un mecanismo de crecimiento basado en la superficie que da lugar a láminas de grafeno de gran superficie y alta calidad. Este método es especialmente eficaz en los procesos de deposición química en fase vapor (CVD), en los que el cobre actúa como catalizador y sustrato.
Explicación detallada:
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Baja solubilidad en carbono del cobre: El cobre tiene una baja solubilidad en carbono en comparación con otros metales de transición como el níquel. Esta propiedad es crucial porque permite un mecanismo de crecimiento del grafeno basado en la superficie. En los procesos CVD, cuando el cobre se expone a hidrocarburos gaseosos a altas temperaturas, los átomos de carbono de los hidrocarburos no se disuelven fácilmente en el cobre, sino que forman capas de grafeno en la superficie. Esto conduce a la formación de grafeno directamente sobre la superficie de cobre sin una incorporación significativa al sustrato metálico.
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Mecanismo de crecimiento superficial: El mecanismo de crecimiento superficial en el cobre es ventajoso porque suele producir menos defectos y grafeno de mayor calidad. Dado que el grafeno se forma directamente en la superficie, es menos probable que se vea afectado por impurezas o defectos que puedan surgir de las interacciones con el metal. Esto contrasta con el níquel, que tiene una alta solubilidad de carbono y conduce a un mecanismo en el que el carbono se difunde en el metal en bruto y luego precipita como grafeno durante el enfriamiento, lo que a menudo da lugar a grafeno multicapa con más defectos.
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Producción de grafeno de gran superficie: Los sustratos de cobre también son preferibles porque permiten producir láminas de grafeno de gran superficie. El uso de carcasas de cobre como sustratos proporciona un gran lugar de deposición para el grafeno y, mediante un cuidadoso control de los parámetros del proceso de CVD, como la temperatura y la presión, los investigadores han podido cultivar láminas de grafeno monocristalinas con tamaños de hasta 2 mm. Esta escalabilidad es importante para las aplicaciones prácticas, sobre todo en electrónica y fotónica, donde se necesitan láminas de grafeno grandes y uniformes.
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Reducción de los retos de transferencia: El crecimiento de grafeno directamente sobre cobre también puede mitigar algunos de los retos asociados a la transferencia de grafeno desde el sustrato de crecimiento a otros sustratos para la fabricación de dispositivos. El crecimiento directo sobre cobre puede ser ventajoso para aplicaciones en las que el cobre puede permanecer como parte de la estructura final del dispositivo, reduciendo la necesidad de transferencia y mejorando potencialmente el rendimiento y la fiabilidad general del dispositivo.
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Tratamiento superficial mejorado: Los investigadores también han desarrollado técnicas para mejorar aún más la calidad del grafeno cultivado sobre cobre tratando el sustrato de cobre antes del proceso de CVD. Esto puede implicar tratamientos químicos que reduzcan la actividad catalítica, aumenten el tamaño de grano del cobre y modifiquen la morfología de la superficie para facilitar el crecimiento de grafeno con menos imperfecciones.
En resumen, el crecimiento del grafeno en el cobre está impulsado por la baja solubilidad del carbono en este metal, lo que favorece un mecanismo de crecimiento basado en la superficie que produce grafeno de alta calidad y gran superficie. Este método es especialmente eficaz en procesos de CVD y ofrece importantes ventajas en términos de escalabilidad y potencial de integración directa en dispositivos electrónicos.
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