Grafene CVD - Creazione di grafene tramite la deposizione chimica da fase vapore.

Esistono diversi modi in cui i monostrati di grafene possono essere creati o isolati, ma di gran lunga il modo più popolare in questo momento è quello di utilizzare un processo chiamato deposizione chimica da vapore. La deposizione chimica da vapore, o CVD, è un metodo in grado di produrre grafene di qualità relativamente elevata, potenzialmente su larga scala.

Il processo CVD è ragionevolmente semplice, sebbene siano necessarie alcune attrezzature specialistiche e per creare grafene di buona qualità è importante attenersi rigorosamente alle linee guida stabilite in merito a volumi di gas, pressione, temperatura e durata.

Il Processo CVD In poche parole, CVD è un modo per depositare reagenti gassosi su un substrato. Il modo in cui funziona CVD è combinando molecole di gas (spesso utilizzando gas di trasporto) in una camera di reazione che è tipicamente impostata a temperatura ambiente. Quando i gas combinati entrano in contatto con il substrato all'interno della camera di reazione (che viene riscaldata), si verifica una reazione che crea una pellicola di materiale sulla superficie del substrato. I gas di scarico vengono quindi pompati dalla camera di reazione. La temperatura del substrato è una condizione primaria che definisce il tipo di reazione che si verificherà, quindi è fondamentale che la temperatura sia corretta.

Durante il processo CVD, il substrato viene solitamente rivestito una quantità molto piccola, a una velocità molto bassa, spesso descritta in micron di spessore all'ora. Il processo è simile alla deposizione fisica in fase di vapore (PVD), l'unica differenza è che i precursori sono composti solidi, piuttosto che gas, e quindi il processo è leggermente diverso. Il composto o i composti solidi vengono vaporizzati e quindi depositati su un substrato mediante condensazione.

I vantaggi dell'utilizzo di CVD per depositare materiali su un substrato sono che la qualità dei materiali risultanti è generalmente molto elevata. Altre caratteristiche comuni dei rivestimenti CVD includono impermeabilità, elevata purezza, grana fine e maggiore durezza rispetto ad altri metodi di rivestimento.

È una soluzione comune per il deposito di film nell'industria dei semiconduttori, così come nell'optoelettronica, a causa dei bassi costi coinvolti rispetto all'elevata purezza dei film creati. Sebbene esistano diversi formati di CVD, la maggior parte dei processi moderni rientra in due categorie separate dalla pressione di esercizio della deposizione chimica da vapore: LPCVD e UHVCVD. LPCVD (CVD a bassa pressione) è la procedura CVD eseguita a pressioni sub-atmosferiche. Questa bassa pressione aiuta a prevenire reazioni indesiderate e produce uno spessore di rivestimento più uniforme sul substrato. UHVCVD (ultra-high vacuum CVD) è un processo in cui la CVD viene eseguita a pressioni atmosferiche estremamente basse; di solito nella regione di 10-6 Pascal.

Gli svantaggi dell'utilizzo di CVD per creare rivestimenti di materiali sono che i sottoprodotti gassosi del processo sono generalmente molto tossici. Ciò è dovuto al fatto che i gas precursori utilizzati devono essere altamente volatili per poter reagire con il substrato, ma non così volatili da essere difficili da erogare alla camera di reazione. Durante il processo CVD, i sottoprodotti tossici vengono rimossi dalla camera di reazione dal flusso di gas per essere smaltiti correttamente.

Processi Fondamentali nella Creazione Del Grafene CVD

Il grafene CVD viene creato in due fasi, la pirolisi precursore di un materiale per formare il carbonio e la formazione della struttura di carbonio del grafene utilizzando gli atomi di carbonio dissociati. La prima fase, la pirolisi ad atomi di carbonio disassociati, deve essere eseguita sulla superficie del substrato per evitare la precipitazione dei cluster di carbonio (fuliggine) durante la fase gassosa. Il problema con questo è che la decomposizione pirolitica dei precursori richiede livelli estremi di calore, e quindi devono essere usati catalizzatori metallici per ridurre la temperatura di reazione.

La seconda fase di creazione della struttura di carbonio dagli atomi di carbonio dissociati, richiede anche un livello molto alto di calore (oltre 2500 gradi Celsius senza un catalizzatore), quindi un catalizzatore è imperativo in questa fase per ridurre la temperatura necessaria alla reazione a circa 1000 gradi Celsius. Il problema con l'utilizzo dei catalizzatori è che si stanno effettivamente introducendo più composti nella camera di reazione, il che avrà un effetto sulle reazioni all'interno della camera.

Un esempio di questi effetti è il modo in cui gli atomi di carbonio si dissolvono in determinati substrati come il nichel durante la fase di raffreddamento. Tutto ciò significa che è di vitale importanza che il processo CVD sia coordinato in modo molto rigoroso e che i controlli siano messi in atto in ogni fase del processo per garantire che le reazioni avvengano in modo efficace e che la qualità del grafene prodotto sia la più alta raggiungibile.

Problemi associati alla creazione del Grafene CVD

Per creare grafene monolayer o pochi strati su un substrato, gli scienziati devono prima superare i problemi maggiori con i metodi che sono stati osservati finora. Il primo grande problema è che mentre è possibile creare grafene di alta qualità su un substrato utilizzando CVD, la separazione o l'esfoliazione riuscita del grafene dal substrato è stata alquanto un ostacolo. La ragione di ciò è principalmente perché la relazione tra il grafene e il substrato su cui è "cresciuto" non è ancora completamente compresa, quindi non è facile ottenere la separazione senza danneggiare la struttura del grafene o influenzare le proprietà del materiale.

Le tecniche su come ottenere questa separazione differiscono a seconda del tipo di substrato utilizzato. Spesso gli scienziati possono scegliere di dissolvere il substrato in acidi nocivi, ma questo processo comunemente influisce sulla qualità del grafene prodotto, quindi sono attualmente in fase di ricerca altri metodi.

Un metodo alternativo che è stato studiato prevede la creazione di grafene CVD su un substrato di rame (Cu) (in questo esempio, Cu è utilizzato come catalizzatore nella reazione). Durante la CVD si verifica una reazione tra il substrato di rame e il grafene che crea un alto livello di compressione idrostatica, accoppiando il grafene al substrato. È stato dimostrato che è possibile, tuttavia, intercalare uno strato di ossido di rame (che è meccanicamente e chimicamente debole) tra il grafene e il substrato di rame per ridurre questa pressione e consentire la rimozione del grafene relativamente facilmente (anche, in questo esempio, il substrato può essere riutilizzato).

Gli scienziati hanno anche esaminato l'utilizzo del poli metil metacrilato (PMMA) come polimero di supporto per facilitare il trasferimento del grafene su un substrato alternativo. Con questo metodo, il grafene viene rivestito con PMMA e il substrato precedente viene attacato con un processo di etcing. Quindi, il grafene rivestito è abbastanza forte da essere trasferito su un altro substrato senza danneggiare il materiale.

Altri polimeri di supporto che sono stati testati includono nastro a rilascio termico e PDMS (polidimetilsilossano). Tuttavia, il PMMA ha dimostrato di essere il più efficace nel trasferire il grafene senza danni eccessivi. Un altro ostacolo importante è la creazione di uno strato completamente uniforme di grafene su un substrato. Questo è difficile da ottenere poiché la dinamica cinetica di trasporto del gas è influenzata dalla diffusione e dalla convezione, il che significa che questi valori cambiano nello spazio di una camera di reazione, influenzando a loro volta le reazioni chimiche sul substrato. Inoltre, a causa della dinamica dei fluidi, potrebbe esserci un esaurimento dei reagenti nel momento in cui il gas raggiunge le ulteriori estremità del substrato, il che significa che non si verificherà alcuna reazione.

Alcuni scienziati hanno riferito di aver superato questo problema modificando la concentrazione dei gas e incorporando metodi di rivestimento a rotazione.

Soluzioni attuali e potenziali

In termini di superamento di questi problemi, gli scienziati hanno sviluppato tecniche e linee guida più complesse da seguire per creare la massima qualità di grafene possibile.

Una tecnica introduttiva per ridurre gli effetti di questi problemi consiste nel trattare il substrato prima che avvenga la reazione. Un substrato di rame può essere trattato chimicamente per consentire una ridotta attività catalitica, aumentare la granulometria del Cu e riorganizzare la morfologia superficiale al fine di facilitare la crescita dei fiocchi di grafene che contengono meno imperfezioni.

Questo punto del trattamento del substrato prima della deposizione è qualcosa che continuerà a essere studiato per molto tempo, mentre impariamo lentamente come modificare la struttura del grafene per adattarsi alle diverse applicazioni.

Ad esempio, per poter utilizzare efficacemente il grafene nei superconduttori, è necessario effettuare il drogaggio sul materiale in modo da creare un band-gap. Questo processo potrebbe potenzialmente essere qualcosa che viene eseguito su un substrato prima che si verifichi la deposizione piuttosto che trattare il materiale dopo CVD.