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Informes científicos volumen 5, Número de artículo: 10257 (2015) Citar este artículo

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Presentamos el diseño de un reactor de tubos concéntricos (CT) para deposición química de vapor (CVD) rollo a rollo sobre sustratos flexibles y su aplicación a la producción continua de grafeno sobre lámina de cobre. En el reactor CTCVD, el sustrato de lámina delgada se envuelve helicoidalmente alrededor del tubo interior y se traslada a través del espacio entre los tubos concéntricos. Usamos una máquina prototipo a escala de banco para sintetizar grafeno en sustratos de cobre a velocidades de traslación que varían de 25 mm/min a 500 mm/min e investigamos la influencia de los parámetros del proceso en la uniformidad y la cobertura del grafeno en una lámina en movimiento continuo. A velocidades más bajas, se forma grafeno monocapa de alta calidad; a velocidades más altas, se observa una rápida nucleación de pequeños dominios de grafeno, pero el tiempo de residencia limitado en el sistema CTCVD evita la coalescencia. Mostramos que una transición isotérmica suave entre las atmósferas reductoras y que contienen carbono, habilitada por la inyección de la materia prima de carbono a través de orificios radiales en el tubo interior, es esencial para la CVD de grafeno de rollo a rollo de alta calidad. Discutimos cómo la calidad de la lámina y la microestructura limitan la uniformidad del grafeno sobre las dimensiones macroscópicas. Concluimos analizando los medios para escalar y reconfigurar el diseño de CTCVD en función de los requisitos generales para la fabricación de materiales en 2D.

La integración de materiales bidimensionales (2-D) con aplicaciones que exigen una producción rentable en grandes áreas requiere comprender cómo los métodos de síntesis a escala de laboratorio se pueden traducir a procesos de fabricación continuos. Para películas delgadas de grafeno, estas aplicaciones prometedoras incluyen electrodos transparentes para pantallas y energía fotovoltaica, membranas de filtración de alto rendimiento y cámaras termográficas1,2,3,4,5,6,7. La síntesis directa de grafeno sobre sustratos mediante deposición química de vapor (CVD) ha surgido como una técnica muy atractiva para estas aplicaciones debido a su compatibilidad con herramientas de procesamiento de películas delgadas y su potencial escalabilidad a grandes áreas1. Como resultado de los continuos esfuerzos de investigación, el transporte eléctrico del grafeno sintetizado por CVD en sustratos se está acercando al del grafeno exfoliado y se puede aplicar una cartera creciente de recetas de CVD a sustratos de tamaño creciente (escala de centímetro a oblea) y diversidad (por ejemplo, finas películas metálicas depositadas sobre Si y cuarzo, además de láminas metálicas)2,8,9,10,11,12.

En la literatura académica se han presentado varios sistemas y métodos para la producción de grafeno rollo a rollo (R2R)13,14,15,16,17. Al principio, Hesjedal y sus colegas utilizaron un horno tubular modificado para la producción R2R de grafeno multicapa en lámina de Cu (25 μm de espesor, 1 m de longitud) a 1–40 cm/min14. Yamada y sus colegas presentaron un sistema CVD de plasma de microondas personalizado e informaron una cobertura completa de grafeno multicapa a una velocidad de alimentación de 30 cm/min utilizando una lámina de Cu con un ancho de 294 mm15. Si bien el proceso mejorado con plasma permitió el crecimiento a baja temperatura (>400 °C), esto también limitó la calidad del grafeno y el tamaño del dominio. Más recientemente, Kobayashi y sus colegas produjeron grafeno predominantemente de una sola capa de alta calidad sobre lámina de Cu (230 mm de ancho, 36 μm de espesor) a 10 cm/min utilizando un sistema R2R CVD que calentaba resistivamente la lámina de Cu alimentada entre dos rodillos de electrodos17. Después de la transferencia posterior, se informó una cobertura de grafeno del 89-98 % en el sustrato final, que era una película de tereftalato de polietileno (PET). Paralelamente a estos esfuerzos, se ha logrado un progreso notable en el crecimiento de CVD por lotes. En 2010, Bae et al. produjo películas de grafeno uniformes en láminas de Cu de 30" en diagonal que se envolvieron alrededor de un tubo de cuarzo de 7,5" de diámetro colocado para procesamiento estático dentro de un tubo de cuarzo de 8" de diámetro dentro de un horno tubular. Las películas de grafeno se transfirieron posteriormente a PET después de un grabado químico húmedo de el Cu 13. Vlassiouk et al. utilizaron una técnica similar para producir películas de grafeno de 40" de diagonal que posteriormente se transfirieron a PET 16.

A pesar de estos logros, todavía es necesario avanzar en la producción continua de materiales 2D para reflejar una comprensión rigurosa de la física del proceso subyacente y permitir una producción controlada por capas de alta calidad a un ritmo elevado. Para el grafeno en particular, el diseño del sistema R2R CVD es fundamental para establecer dicha comprensión y los principios de diseño que deben capturarse en un sistema efectivo incluyen: uniformidad térmica y fluídica sobre el sustrato; mezcla y uso eficientes de los gases de alimentación; atmósferas de gas selladas y controladas y zonas térmicas (p. ej., como se ve en la producción de fibra de carbono)18,19,20; y rendimiento que es compatible con procesos ascendentes y descendentes (p. ej., integración con operaciones de creación de patrones)15,21. Además, el crecimiento de grafeno mediante CVD requiere calentamiento secuencial en una atmósfera inerte o reductora, seguido de exposición a hidrocarburos y manipulación del sustrato, y las transiciones entre zonas deben tener en cuenta este requisito22. En la práctica, también existe la necesidad de comprender la dependencia de las características clave del grafeno en el espacio de parámetros multidimensionales de un proceso continuo (p. ej., temperatura, presión, composición de la atmósfera, velocidad de alimentación, calidad) similar a los estudios paramétricos realizados a escala de lotes. crecimiento de grafeno utilizando condiciones de reactor estático22,23,24,25. Esto, a su vez, permitiría la ingeniería de las características del grafeno (p. ej., número de capas, tamaño del dominio, calidad) para satisfacer tanto las necesidades orientadas a la aplicación como las especificaciones de producción (p. ej., costo, tasa).

Presentamos un nuevo diseño de reactor para R2R CVD de materiales 2-D en sustratos flexibles y, utilizando un prototipo de banco de este reactor, estudiamos la producción R2R de grafeno en láminas metálicas. El reactor tiene una geometría de tubo concéntrico, que logra varias características deseables para R2R CVD, incluida la uniformidad térmica y fluídica sobre el sustrato debido al pequeño espacio, una transición isotérmica rápida entre las dos atmósferas internas a través de la inyección aguas abajo del precursor de hidrocarburo y modularidad debido a su geometría circular. Usando el sistema de tubos concéntricos, encontramos una relación inversa entre la calidad de la película de grafeno y la velocidad de producción, que se rige por la cinética de nucleación y coalescencia de los dominios de grafeno en combinación con el tiempo de residencia del sustrato. La inyección aguas abajo del hidrocarburo en el sistema CTCVD produce aumentos de aproximadamente 2,7x y 1,8x en I2D/IG e IG/ID respectivamente, pero la calidad general del grafeno está limitada por el tamaño del grano y la calidad de la superficie de la lámina de cobre. Por último, estudiamos la influencia del tiempo de recocido, la temperatura del reactor y la atmósfera de enfriamiento y encontramos que el tiempo de recocido adicional (3 horas), el aumento de la temperatura del reactor (de 1000 °C a 1045 °C) y una atmósfera de enfriamiento de He/H2 dan un 1.9x , 1.4x y 1.9x mejora de I2D/IG, respectivamente.

En el diseño del reactor CVD de tubo concéntrico (CT) (Fig. 1a-b), el sustrato se traslada continuamente en una trayectoria helicoidal, ya que se envuelve en la superficie de un tubo de cuarzo colocado concéntricamente dentro de otro tubo de cuarzo. Por lo tanto, el volumen del reactor calentado se define por el espacio anular entre los tubos y la longitud sobre la cual se calienta el sistema. En comparación con un diseño de reactor de un solo tubo con un diámetro exterior equivalente, el fundamento de la configuración de CTCVD es reducir el volumen de gas necesario para el procesamiento, establecer la uniformidad del flujo a través del pequeño espacio entre los tubos y permitir que se ajuste el tamaño de la zona de tratamiento. sin cambiar el perfil de flujo sobre el sustrato. El prototipo del sistema CTCVD se construye utilizando un horno tubular estándar (Lindberg Blue M Mini-Mite, zona calentada única de 30 cm de largo) y las cámaras finales contienen mecanismos de manipulación de bandas construidos en gran parte con componentes comerciales listos para usar (Fig. 1c– mi). El uso de tubos con sección transversal circular es deseable para la operación a baja presión y el sellado utilizando componentes de vacío convencionales, mientras que la geometría del reactor anular captura la ventaja geométrica de una sección transversal delgada.

Sistema CVD de tubo concéntrico (CTCVD) configurado para el crecimiento de grafeno R2R en lámina de cobre. a) Esquema del sistema que muestra la ruta de alimentación helicoidal (de izquierda a derecha), las zonas de tratamiento secuencial y los orificios internos de inyección de gas. b) Vista de la sección transversal del arreglo de tubos concéntricos. c) Prototipo a escala de banco del sistema CTCVD (montaje donde el procesamiento es de derecha a izquierda), con rieles para alineación con horno tubular. d) Detalle de e), que muestra los orificios de inyección de gas utilizados para suministrar el gas hidrocarburo a la zona de tratamiento aguas abajo. e) Vista superior de un sustrato de lámina de Cu envuelto a través del sistema.

Otra característica atractiva del diseño CTCVD es la capacidad de crear dos zonas de tratamiento secuenciales (Fig. 2a) mediante la inyección del gas precursor a través del tubo interior. Por ejemplo, una primera mezcla de gases como He/H2 se suministra a la cámara de aguas arriba y fluye hacia el espacio entre los tubos; y una segunda mezcla de gases que incluye el precursor se alimenta directamente al tubo interior. La cámara de aire está hecha a medida con orificios radiales y un bloqueo adyacente a los orificios; estos dirigen la segunda mezcla de gas para que entre en el espacio anular, creando la segunda zona de tratamiento de gas sin cambiar el perfil de temperatura local. La dinámica de flujo en el sistema CTCVD con inyección aguas abajo se estudió mediante simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD), a presiones del sistema de 10–3 y 760 torr. La mezcla de C2H4 tras la inyección desde el tubo interior se visualiza en la Fig. 2a, donde el espacio del tubo es de 4,5 mm. La inyección del precursor en el espacio anular aumenta la velocidad promedio del gas de 0,024 m/s a 0,048 m/s (Fig. 2b) y la velocidad y la química de la mezcla de gases son estables dentro del 99 % de sus valores finales a una punto 10 mm aguas abajo de los orificios de inyección (Fig. 2b,c). La rápida desaceleración y aceleración de los gases en el lugar de inyección se debe al flujo de gas a través de los orificios del tubo interior que choca contra la pared interior del tubo exterior. La inyección provoca un ligero flujo hacia atrás del precursor de carbono debido a la mezcla difusiva y al impacto del gas en la pared interior del tubo exterior, pero se mantiene una velocidad de avance neta.

Modelo de dinámica de fluidos computacional (CFD) del flujo de gas dentro del reactor CTCVD. a) Diagrama de sección transversal de las rutas de flujo dentro de la disposición de tubos concéntricos y mapa de colores de la fracción de masa de C2H4 durante la operación estable. b) Perfiles de velocidad media del gas en el espacio entre los tubos y temperatura media frente a la posición a lo largo de la dirección del flujo. c) Fracción másica de He, H2 y C2H4 a lo largo de la dirección del flujo, mostrando el cambio brusco al inyectar C2H4 a través del tubo interior y la rápida estabilización <1 cm aguas abajo de este punto (x = 0,38 m). Los datos provienen de simulaciones CFD ejecutadas a una presión del sistema de 760 torr.

Además, el diseño del sistema CTCVD permite un gradiente térmico uniforme (Fig. 2b) en las dos zonas de tratamiento porque el gas inyectado aguas abajo se precalienta dentro del tubo interior. Para demostrar esto, la temperatura del gas en la configuración de CTCVD se calculó en función del perfil de temperatura a lo largo del eje central del horno vacío. El perfil térmico continuo es una consideración importante porque se sabe que la introducción de hidrocarburos por debajo de la temperatura deseada de crecimiento del grafeno puede inhibir la formación de grafeno o causar una densidad de nucleación indeseablemente mayor de dominios de grafeno más pequeños, como lo describen Robinson y Robins22,26.

Usando el sistema CTCVD, primero elegimos investigar la relación entre la velocidad del proceso y las características del grafeno producido en lámina de Cu (ver Métodos). Los experimentos se realizaron a velocidades de traslación entre 25 mm/min y 500 mm/min, en condiciones idénticas de temperatura y flujo de gas (ver Métodos). Realizamos pruebas independientes a cada velocidad (es decir, donde el sistema se detuvo por completo y se recargó entre pruebas) y una ejecución continua en la que se ajustó la velocidad a medida que el sustrato se alimentaba a través del reactor CTCVD. En ambos casos, el grafeno se cultivó en 60 cm de lámina a cada velocidad. No se encontraron diferencias estadísticamente relevantes en el grafeno producido al comparar los dos métodos de experimentación.

En la Fig. 3a, mostramos un espectro Raman típico para cada velocidad, según los datos recopilados en 27 ubicaciones en cada muestra. Se observaron picos característicos D, G y 2D a todas las velocidades y la intensidad del pico D aumentó mientras que la intensidad del pico G disminuyó al aumentar la velocidad de traducción. En consecuencia, la relación I2D/IG disminuye a medida que aumenta la velocidad (Fig. 3b), lo que implica un número creciente de capas de grafeno o un aumento en la densidad de los bordes de grafeno. Los mapas Raman bidimensionales de los mismos sustratos también indican que la tendencia de la relación I2D/IG con la velocidad es consistente en áreas de muestra más grandes (ver Información de apoyo, Fig. S1). Se observa una relación inversa similar entre la relación IG/ID y la velocidad del sustrato (Fig. 3b), lo que indica un aumento de defectos o bordes libres27. Además, los valores promedio de ancho completo a la mitad del máximo (FWHM) de los picos 2D aumentan con la velocidad de 36 a 79 cm−1 (ver Información de apoyo, Fig. S2), lo que puede indicar un aumento en el número de capas de grafeno ( es decir, de monocapa a multicapa de grafeno), o aumentando la densidad de defectos en los bordes a mayor velocidad del sustrato25,28.

Influencia de la velocidad del sustrato en la síntesis de grafeno rollo a rollo en lámina de cobre. a) Espectros Raman medios para cada una de las cinco velocidades ensayadas, desde 25 mm/min hasta 500 mm/min. Se restó un ajuste polinomial de la señal de fondo de los espectros Raman sin procesar, lo que dio como resultado los espectros que se muestran. Se aplicó un procesamiento posterior adicional (ver Métodos) a cada espectro antes del análisis de las intensidades máximas. Un ejemplo de espectro posprocesado se superpone a los datos sustraídos de fondo de 25 mm/min (rojo). b) Valores medios de I2D/IG e IG/ID frente a la velocidad del sustrato. c) Comparación de espectros Raman (25 mm/min) antes y después de la transferencia a SiO2 (ver Métodos).

Después de la transferencia a SiO2, las muestras procesadas a 25 mm/min muestran un espectro limpio consistente con el grafeno monocapa de alta calidad (Fig. 3c). El sustrato de SiO2 produce un espectro Raman con una relación señal/ruido mucho mayor y los espectros posteriores a la transferencia representan el mejor resultado aparente para el grafeno producido en el presente estudio utilizando el sistema CTCVD. La transferencia de grafeno también resultó en un cambio notable en las intensidades máximas relativas, donde la relación I2D/IG aumentó de 1,1 en Cu a 1,5 en SiO2 y la relación IG/ID mejoró mucho de 1,5 en Cu a 6,1 en SiO2. Consideramos si esta diferencia surgió del daño del grafeno por el láser en Cu; sin embargo, las intensidades de Raman no cambiaron durante exposiciones prolongadas (> 2 min) y el interrogatorio repetido de los mismos puntos dio como resultado el mismo espectro de Raman que la primera colección. No obstante, para evitar variaciones en los resultados debido al propio proceso de transferencia, los siguientes resultados se presentan directamente sobre el sustrato de Cu.

También se utilizaron imágenes SEM de alta resolución en Cu para examinar la uniformidad de la cobertura de grafeno a diferentes velocidades (Fig. 4). A juzgar por el contraste de la superficie a un voltaje de aceleración bajo, encontramos una cobertura de grafeno casi completa a velocidades de sustrato bajas (p. ej., 2 mm/min) y dominios de grafeno a nanoescala aislados a velocidades de sustrato altas (p. ej., 500 mm/min). Esto concuerda con estudios previos que encontraron que el crecimiento del grafeno comienza con la formación de dominios a nanoescala en los sitios de nucleación en Cu, que pueden fusionarse con el tiempo suficiente29,30. La relación inversa entre la cobertura de grafeno y la velocidad de traducción también es consistente con los espectros Raman (Fig. 3a). Una alta densidad de nucleación podría conducir a un crecimiento de alta velocidad si los dominios de grafeno tienen una orientación similar y pueden fusionarse en un solo dominio; sin embargo, como se analiza más adelante, el tamaño limitado y la orientación variada de los granos de Cu presenta un límite práctico para la calidad de la producción.

Influencia de la velocidad del sustrato en la cobertura de grafeno, como lo muestran las imágenes SEM después del tratamiento CVD de Cu. Las grandes áreas de contraste similar indican granos de Cu (con el límite indicado por las líneas discontinuas en la imagen de 75 mm/min) y las regiones oscuras locales dentro de los granos individuales corresponden al grafeno. Los dominios a nanoescala del grafeno se forman en tiempos de crecimiento cortos (es decir, como se observa para una velocidad de sustrato alta, 500 mm/min) y se unen para formar dominios más grandes para tiempos de crecimiento más largos (es decir, a una velocidad de sustrato más baja). Los surcos diagonales prominentes en las imágenes de 25, 250 y 500 mm/min se deben al procesamiento de la superficie de la lámina. La imagen de gran aumento de la muestra de 500 mm/min muestra más claramente los dominios aislados dentro de un grano de Cu.

También concluimos que la relación inversa entre la velocidad del sustrato y la relación I2D/IG está impulsada por defectos en los bordes más que por el número de capas de grafeno. En el caso de una cobertura uniforme, un aumento en el número de capas de grafeno hace que el pico 2D se amplíe y cambie a una frecuencia más alta. Sin embargo, en el caso de los pequeños dominios de grafeno, el pico 2D es relativamente mucho más amplio debido a defectos en los bordes y desajustes de orientación entre los dominios. En el presente estudio, a medida que aumenta la velocidad de traducción y la cobertura de grafeno se vuelve menos continua, observamos que el pico 2D se amplía y la intensidad del pico disminuye. Por cierto, el ensanchamiento del pico 2D en relación con las películas de grafeno se ha observado en puntos cuánticos de grafeno (GQD) con diámetros de 5 a 35 nm, donde el pico 2D se ensanchaba a medida que aumentaba la cantidad de defectos de borde y la falta de coincidencia relativa de la orientación del GQD con los GQD vecinos31. Además, sospechamos que el aumento aparente en la calidad del grafeno tras la transferencia a SiO2 (es decir, la disminución de la intensidad del pico D y el aumento de la relación I2D/IG en la Fig. 3d) estuvo influenciado por la pérdida de parte de la nanoescala. dominios durante el proceso de transferencia (consulte Métodos e información de respaldo, Fig. S3), lo que da como resultado áreas con menos defectos en los bordes.

A continuación, evaluamos la uniformidad del grafeno comparando los espectros Raman tomados a lo largo y ancho de cada muestra (ver Información de apoyo, Fig. S4a). Además, un sustrato de Cu largo (4 m) se trasladó a través del reactor a una velocidad de 75 mm/min (53 minutos de tiempo total de ejecución) y los datos Raman se muestran en la Fig. S4b (ver Información de apoyo) para ubicaciones cada 30 mm a lo largo de la lámina. Aunque existe una variación significativa en los valores de I2D/IG e IG/ID a lo largo y ancho de la muestra (0,6–1,7 y 2,1–10,0, respectivamente), atribuimos esto a la naturaleza policristalina del sustrato de Cu, no a la diseño de reactores.

La cinética de nucleación y crecimiento del grafeno dependerá de la orientación y condiciones superficiales de cada grano de Cu32,33,34,35,36,37,38; por lo tanto, a pesar de la rápida nucleación observada, el tiempo de residencia limitado en el sistema CTCVD dio como resultado una cobertura de grafeno que varía significativamente dentro de los granos de Cu individuales (perceptible en imágenes SEM de muestras de 125 y 250 mm/min en la Fig. 4). Por ejemplo, mediante HRSEM descubrimos que los grupos de granos adyacentes mostraban dominios de grafeno del tamaño de una micra que cubrían entre el 50 y el 90 % de la superficie de Cu (ver Información de apoyo, Fig. S5a). También se recopilaron datos de espectroscopía Raman y microscopía de luz visible para un vecindario similar en la lámina. El contraste en microscopía óptica también se puede usar para juzgar la uniformidad dentro de cada grano (ver Información de apoyo, Fig. S5b).

Además, la superficie de la lámina de Cu tenía estrías y defectos formados mecánicamente (es decir, rugosidad de la superficie, picaduras, muescas) como resultado del proceso de fabricación (ver Información de apoyo, Fig. S6). Esta topografía, sin duda, influye en la uniformidad y la cobertura del grafeno al influir en la densidad del sitio de nucleación y presentar barreras mecánicas para el crecimiento lateral. La comparación de los espectros de la encuesta (ver Información de apoyo, Fig. S4b) con los espectros promedio de varios escaneos Raman realizados dentro de granos de Cu individuales respalda la teoría de que la variación observada a lo largo de la muestra se debe a los defectos en la superficie del sustrato y la naturaleza policristalina del sustrato (ver Información de apoyo, Fig. S5c).

Para aislar la influencia de cada zona del reactor, se realizaron experimentos moviendo la lámina de Cu desde puntos seleccionados que van desde aguas arriba hasta aguas abajo de la región calentada, lo que da como resultado los espectros Raman que se muestran en la Fig. 5a. La porción de lámina de cobre que comenzó aguas arriba del horno y se detuvo en la zona de recocido no tenía grafeno presente; el Cu que comenzó en la zona de recocido y terminó en la zona de crecimiento exhibió grafeno de alta calidad; y la ubicación de Cu que comenzó en la zona de crecimiento (es decir, se calentó mientras se exponía al precursor de carbono) y terminó aguas abajo del horno tenía grafeno de baja calidad. Por lo tanto, concluimos que es importante calentar la lámina de Cu mientras se expone a una atmósfera sin carbono y hacer la transición a la atmósfera de carbono a temperatura elevada. El beneficio de la inyección de hidrocarburos aguas abajo también se ilustra en la Fig. 5b. Aquí comparamos los resultados con un diseño de CTCVD de zona única (es decir, H2/C2H4 inyectado en el espacio anular desde la entrada del sistema, sin pozos aguas abajo) y dos zonas de tratamiento (configuración normal de CTCVD). La inyección aguas abajo produce aumentos de aproximadamente 2,7x y 1,8x en I2D/IG e IG/ID respectivamente, en relación con el diseño de zona única. La importancia de una transición isotérmica de una atmósfera reductora a una atmósfera que contiene carbono también se destacó en un estudio reciente que utilizó una barrera de difusión (Al2O3 sobre Ni) para evitar la exposición al carbono hasta que se alcanzó la temperatura elevada en un sistema de una sola zona39.

Beneficio del procesamiento térmico continuo con transición directa de una atmósfera reductora a una que contiene carbono. a) Espectros Raman de tiras de láminas de Cu que se trasladaron aguas arriba del horno a la zona de recocido (negro), de la zona de recocido a la zona de crecimiento (rojo) y de la zona de crecimiento a la salida (aguas abajo) del horno ( azul). La muestra expuesta secuencialmente a las zonas de recocido y crecimiento muestra el mejor resultado y el crecimiento no ocurre solo en la zona de recocido. b) Comparación de los espectros Raman para el procesamiento de CTCVD con ambas zonas con el procesamiento solo con la zona de crecimiento.

Para determinar aún más la cinética del tratamiento del sustrato dentro del reactor CTCVD, una muestra de lámina de cobre que se procesaba a velocidad constante se detuvo abruptamente y se enfrió rápidamente abriendo la tapa del horno y aplicando una corriente de aire frío a través de la pared del reactor con un ventilador. Las imágenes ópticas y las imágenes SEM en ubicaciones marcadas en el sustrato muestran la cobertura de grafeno en función del tiempo en el reactor (Fig. 6a-b). Los espectros Raman de estas ubicaciones se muestran en la Información de apoyo, Fig. S7. La aparición de límites de grano visibles tras el recocido indica que la capa de óxido superficial se reduce durante el recocido con H2 a temperatura elevada. A 25 mm/min, la exposición de los límites de grano durante el recocido del Cu requiere ~100 mm de recorrido (tiempo de residencia de 4 min) y a ~125 mm (~25 mm aguas arriba de los orificios de inyección del tubo interior) encontramos que Los granos de Cu comienzan a oscurecerse ópticamente y se encuentran dominios de grafeno a nanoescala en las imágenes SEM. Esta es también la primera ubicación a lo largo del sustrato donde los picos G, D y 2D son observables en el espectro Raman. A medida que la lámina avanza más a través del reactor, se logra la máxima cobertura de grafeno entre las ubicaciones de 175 mm y 225 mm (según lo determinado por escaneos de líneas de espectros Raman a lo largo del ancho de la lámina donde los picos D, G y 2D siempre fueron aparentes, la intensidad máxima las proporciones I2D/IG e IG/ID se maximizaron y la cobertura se representó en las imágenes SEM), lo que representa 120–240 segundos de exposición más allá del punto de nucleación. Además, encontramos que algunos granos de Cu se cubren casi por completo en menos de 45 segundos (al final de una carrera de 250 mm/min), en comparación con el tiempo mucho más largo para lograr la máxima cobertura (120–240 segundos) en la lámina policristalina ( Consulte Información de apoyo, Fig. S8). Por lo tanto, la cristalinidad mejorada y las condiciones de la superficie de la lámina podrían aumentar en gran medida el rendimiento y la calidad del proceso R2R CVD.

Análisis de etapas secuenciales de crecimiento de grafeno R2R: reducción de Cu, nucleación de grafeno y crecimiento de grafeno, según lo determinado por la posición de la lámina a lo largo del reactor CTCVD. La traducción del sustrato de Cu se detuvo para "congelar" las diversas etapas a lo largo del sustrato mientras el sistema se enfriaba rápidamente. a) Esquema de la CTCVD con las posiciones axiales resaltadas en relación con el comienzo de la zona calentada (la lámina se traslada de izquierda a derecha). b) Imágenes de microscopía de luz visible (arriba) y SEM (abajo) de un sustrato de Cu en varias posiciones a lo largo del reactor CTCVD (traducidas a 25 mm/min). Los límites de los granos de Cu se vuelven visibles a medida que se reduce la capa de óxido (x = 100 mm, izquierda), seguido de la nucleación de grafeno cerca de los orificios de inyección (x = 125 mm, centro), pasando a una cobertura de grafeno casi total antes de salir de la zona calentada (x = 225 mm, derecha).

Por último, buscamos identificar principios para mejorar la producción de grafeno R2R utilizando el sistema CTCVD. Se entiende que el recocido antes de la exposición al carbono mejora la viabilidad del sustrato de Cu para el crecimiento de grafeno de alta calidad mediante la reducción de los óxidos superficiales, la curación de defectos superficiales en Cu y la promoción del crecimiento de granos de Cu29,30,35. Si bien parece (según la velocidad y el grado de carga de la superficie durante la obtención de imágenes SEM) que la capa de óxido del sustrato de Cu tal como se recibe se elimina durante el recocido, cualitativamente esto no cambia al comparar velocidades de recocido de 500 mm/min a 25 mm/min. (ver Información de apoyo, Fig. S9). Para explorar la utilidad de un paso de pretratamiento de lámina más completo, los sustratos de Cu se recocieron en el lugar durante tres horas a 1010 oC y luego se encendió la fuente de carbono en la zona de crecimiento y se inició el movimiento de traducción para el crecimiento del grafeno. Comparamos velocidades de 25 y 125 mm/min, a las que habíamos observado previamente una cobertura completa de grafeno en la mayoría de los granos de Cu y dominios de grafeno a nanoescala desconectados, respectivamente, en el estudio de referencia. Con el paso de pre-recocido extendido, se logró un aumento significativo en la relación I2D/IG del grafeno a 1,39 a 125 mm/min (Fig. 7a), en comparación con la relación I2D/IG del proceso de referencia de 0,74 (Fig. 3) . Sin embargo, la relación I2D/IG para la muestra de 25 mm/min se mantuvo aproximadamente igual en 1,48 en comparación con el valor de referencia de 1,57. Los espectros Raman representativos se muestran en la Fig. S10 (ver Información de apoyo). Finalmente, estudios previos han atribuido el aumento en la relación I2D/IG después de un tratamiento de recocido similar al crecimiento del grano de Cu40; sin embargo, en nuestras muestras no notamos un crecimiento de grano significativo después del recocido. Por lo tanto, atribuimos la mayor calidad a la mejora de la química de la superficie de la lámina y la eliminación de los defectos de la superficie.

Mejora de la cobertura y la calidad del grafeno mediante la exploración de una matriz de parámetros de proceso utilizando el sistema CTCVD, centrándose en la influencia de un paso de recocido estático, la temperatura del proceso y la atmósfera de enfriamiento. a) Valores medidos de la relación I2D/IG. El tiempo de recocido en proceso está determinado por la velocidad del sustrato. b) Imágenes SEM que indican cobertura de grafeno y tamaño de grano de Cu a varias temperaturas del reactor, donde se mantiene la misma temperatura en ambas zonas y todos los sustratos se procesan a 25 mm/min.

También anticipamos que un aumento en la temperatura del reactor mejoraría la calidad y la cobertura del grafeno, al promover aún más el crecimiento de granos de Cu y la reducción de defectos superficiales durante el recocido33 y al aumentar la cinética de formación de carbono sp2 en la superficie22,25,41. Para evaluar esta hipótesis, se realizaron experimentos a 25 mm/min y temperaturas de consigna de 1000 °C, 1025 °C y 1045 °C (tanto el proceso de recocido como el de crecimiento se realizaron a estas temperaturas). Tanto a 1000 °C como a 1025 °C, SEM observa dominios de grafeno más pequeños y una cobertura incompleta; sin embargo, a 1045 °C hubo un aumento significativo en la cobertura de grafeno y el tamaño del dominio (Fig. 7b), que coincide con los cambios en las relaciones Raman I2D/IG (Fig. 7a). Por lo tanto, encontramos que aumentar la temperatura del reactor junto con el pretratamiento de la lámina de Cu (que podría realizarse en un proceso por lotes) da como resultado un grafeno de mucha mayor calidad, con un mayor tamaño de dominio y cobertura, según lo medido por espectroscopia Raman y SEM en Cu. .

Además, se sabe que los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) se forman en el entorno CVD42 y que, durante el enfriamiento, los PAH se depositan en las superficies expuestas, como las paredes de los tubos y la lámina de cobre que pasa por la salida del horno. La deposición de estos hidrocarburos más grandes podría introducir carbono amorfo en las superficies de Cu y grafeno, lo que reduce la calidad aparente de la película examinada mediante espectroscopia Raman. El recubrimiento de PAH también podría dificultar la formación de grafeno a través de la precipitación de carbono durante el enfriamiento, como se observó previamente en sustratos de Cu29. Para evaluar esta variable potencial, las muestras se procesaron a 125 mm/min y, después de un período de funcionamiento continuo, se detuvo el movimiento de la lámina y el flujo de C2H4 (se mantuvieron el H2 y el He). Después de 20 segundos de flujo de He y H2 en el reactor (tiempo suficiente para permitir que el hidrocarburo se elimine por completo), el sistema se enfrió de acuerdo con el procedimiento normal. En la región que se enfrió dentro de la zona de crecimiento del horno mientras estaba expuesta solo al flujo de He/H2, observamos un aumento promedio moderado en la relación I2D/IG de 0,74 a 1,37 (Fig. 7a). Como resultado, creemos que controlar la atmósfera de enfriamiento también puede mejorar el rendimiento del crecimiento de grafeno R2R en el sustrato de Cu. Sin embargo, también notamos que una mayor duración de la exposición a la atmósfera de He/H2 a temperaturas elevadas puede grabar el grafeno43.

Más allá de las características del grafeno logradas en este estudio, los principios de diseño incorporados por el sistema CTCVD son importantes para establecer una fabricación continua de grafeno en láminas metálicas de alta velocidad y alta calidad. En primer lugar, debido a que el área de la sección transversal (es decir, la región anular) del diseño CTCVD es significativamente menor que un tubo circular estándar, el consumo de gas de alimentación se puede reducir en más del 90 % con una velocidad promedio equivalente. La conversión y el consumo eficientes de materia prima son esenciales desde el punto de vista ambiental y de costos cuando se considera la fabricación a escala44,45.

En segundo lugar, las características del grafeno se pueden ajustar a través de las dimensiones del reactor y los parámetros del proceso. Por ejemplo, el reemplazo del actual horno tubular calentador de zona única por un horno calentador de tres zonas permitiría el mantenimiento de zonas térmicas separadas para recocido, nucleación de grafeno (es decir, en el punto de inyección aguas abajo) y crecimiento de grafeno. Por lo tanto, las condiciones para cada zona se pueden optimizar, junto con las características de la lámina, para lograr la cobertura y la uniformidad deseadas del grafeno en la lámina. El tiempo de residencia relativo se puede especificar en cada zona por la longitud de cada zona y por el único paso helicoidal de la envoltura. La relación inversa observada entre la cobertura de grafeno y la velocidad del proceso (es decir, la velocidad del sustrato) sugiere que se puede lograr una cobertura de grafeno mejorada a una velocidad alta aumentando la longitud del horno. Además, el mismo principio de inyección aguas abajo podría implementarse para el procesamiento de CVD a presión atmosférica, junto con tubos rectangulares (planos) personalizados que podrían tener uno o más sustratos que se trasladen en la superficie de cada tubo interno. Cada una de estas características permite escalar el sistema CTCVD de sobremesa para la producción de grafeno a alta velocidad y calidad.

Sin embargo, habrá límites prácticos para las condiciones del proceso que se pueden implementar. Por ejemplo, la temperatura máxima estará limitada por la pirólisis del carbono y el ablandamiento del sustrato de Cu (lo que hace que se estire y se rompa bajo tensión por debajo de su temperatura de fusión). Además, para establecer una tercera zona de gas distinta para el enfriamiento del sustrato, se podría inyectar una tercera mezcla de gases corriente arriba desde el extremo más alejado del espacio anular y salir hacia el exterior a través del tubo interior mientras se invierte la dirección y se combina rápidamente con el flujo de hidrocarburos lejos de el sustrato

Las mejoras en la fabricación de láminas y el pretratamiento para reducir la rugosidad de la superficie y la microestructura también son muy importantes para mejorar la calidad del grafeno producido. Además, para muchas aplicaciones en las que el grafeno debe transferirse a un sustrato secundario como el PET, será importante integrar métodos continuos de transferencia y laminación13,46 cuyo rendimiento pueda coincidir con los parámetros de CVD de rollo a rollo. Mediante el uso de una gran cámara final, los procesos de transferencia y laminación podrían alojarse junto al sistema CVD.

También consideramos que el propio proceso de crecimiento del grafeno es lo que en última instancia limita la tasa de producción. El modelado inicial de la transferencia de calor a la hoja de Cu en el sistema CTCVD predice que la hoja se puede calentar a 1000 °C dentro de los 10 mm de entrada al horno, a una velocidad superior a 5 m/min. Por lo tanto, el descubrimiento de métodos para mejorar la cinética de crecimiento y nucleación del grafeno no estará limitado por la masa térmica de la lámina y, de hecho, el contacto entre la lámina y el tubo interior aumenta significativamente la tasa de calentamiento en comparación con una lámina independiente. Según los resultados actuales, los granos individuales se cubren por completo dentro de un tiempo de residencia equivalente a 250 mm/min, que, según nuestro conocimiento, es la tasa más rápida reportada hasta ahora en la literatura académica sobre el crecimiento del grafeno R2R.

En resumen, el diseño de CTCVD presenta un enfoque escalable y modular para la producción continua de películas delgadas como el grafeno en sustratos flexibles. Si bien en este estudio se logra la síntesis de rollo a rollo de grafeno de alta calidad, el mayor valor de este trabajo radica en la comprensión del espacio de parámetros del proceso junto con los desafíos presentados por las características del sustrato metálico. En el trabajo futuro, la integración de la metrología en línea (p. ej., espectroscopia Raman in situ) y el análisis de datos en tiempo real pueden ayudar a acelerar la identificación de las condiciones del proceso para mejorar las características del material específico de la aplicación. Una mayor disponibilidad de grafeno en un formato continuo también será útil para avanzar en los métodos de transferencia y creación de patrones para la fabricación de dispositivos 2D.

La longitud deseada de lámina metálica de 0,25" de ancho y 0,002" de espesor (www.metalribbon.com, Cu, 99,99 % de pureza) se enjuagó y limpió manualmente usando Kimwipes empapadas en acetona y luego se limpió con Kimwipes empapadas en alcohol isopropílico. La lámina se ancló al rodillo de suministro y se envolvió sobre el rodillo y luego el rodillo se cargó manualmente en la cámara de suministro. A continuación, la hoja se envolvió alrededor del tubo interior y se alimentó desde el rodillo de suministro de manera que la trayectoria helicoidal alrededor del tubo interior consistiera en 1,5 revoluciones entre los rodillos de suministro y de recogida. Al llegar al carrete de recogida, el extremo de aguas abajo de la lámina se adhirió al carrete de recogida y el carrete de recogida se giró/avanzó 90° (traduciendo la lámina ~50 mm) para garantizar el libre movimiento de la lámina a través de el sistema.

El calentamiento se proporcionó utilizando un horno tubular Lindberg Blue M Mini-Mite, con un tubo de cuarzo de 25 mm de DE para servir como tubo exterior (22 mm de DI, 300 mm de longitud calentada). El tubo interior utilizado para todos los experimentos fue un tubo de cuarzo de 13 mm de DE (10 mm de DI), lo que resultó en un espacio anular tubo-tubo de 4,5 mm. El control de flujo de gas (Aalborg MFC) fue dictado por el usuario a través de una interfaz de control LabView personalizada. Antes de cargar la lámina para cada experimento, el sistema se horneó a una temperatura de horno de 875 °C con un flujo de aire seco de 500 sccm durante 30 min. Este paso eliminó los depósitos de carbono de las superficies de los tubos internos y creó una condición de inicio de línea de base constante para cada experimento R2R. Además, después de cargar la lámina para cada experimento, el sistema se evacuó a 2 Torr mientras fluía He para eliminar el aire que se introdujo durante la instalación del material del sustrato. A continuación, el horno se calentó a 1010 °C y una presión de 4 Torr, con flujos de 100 sccm H2 tanto en el tubo interior como en el espacio del tubo. A continuación, se inició la traslación de la lámina al punto de ajuste de velocidad deseado y los flujos de gas se cambiaron a 300 sccm H2 para el espacio del tubo y 10/315 sccm C2H4/H2 para el tubo interior. Una vez procesada la longitud deseada de lámina, se detuvo la traslación de la lámina y se enfrió rápidamente el horno abriendo el horno y aplicando una corriente de aire frío a través de la pared del reactor con un ventilador. Esto se hizo manteniendo los mismos flujos de gas hasta que la lectura del termopar del horno cayó por debajo de 250 °C. Luego, el sistema se purgó con He durante 10 minutos antes de retirar la lámina procesada. Todos los gases utilizados fueron suministrados por Cryogenic Gases.

La parte posterior de la lámina de Cu se lijó en húmedo con papel de lija para eliminar la capa de grafeno de ese lado. Luego, la muestra se flotó, con el grafeno hacia arriba, en una solución acuosa de nitrato de hierro (50 mg/ml de H2O) durante 24 horas para grabar la lámina metálica10, dejando atrás el grafeno en la superficie de la solución. A continuación, se sumergió cuidadosamente un sustrato de SiO2 en la solución y se retiró lentamente de modo que el menisco fijara el grafeno al sustrato de SiO2 durante la extracción del sustrato. Después de un enjuague con agua desionizada, la muestra se secó a 50 °C en una placa caliente, al aire, durante 10 minutos.

La espectroscopia Raman se realizó utilizando un láser de 532 nm (WITec Alpha 300R) en muestras de grafeno tanto en crecimiento como transferidas. A menos que se indique lo contrario, el grafeno sintetizado se analizó a lo largo (cada 75 mm) y ancho (3 puntos, ambos bordes y el medio) del sustrato usando espectroscopía Raman directamente en la lámina de Cu. Las mediciones de espectroscopia se recopilaron usando un tiempo de integración de 1 segundo y los valores de fondo se restaron de los datos resultantes usando una función de ajuste polinomial. Se usó un algoritmo de ajuste de picos de Lorentzian junto con un filtro de paso bajo para generar espectros para su posterior análisis. Los escaneos Raman bidimensionales se realizaron utilizando el WITec Alpha 300 R y un área de interés de 35 μm × 35 μm, 45 × 45 píxeles y un tiempo de integración de 0,5 segundos para cada punto de datos. También se realizó microscopía óptica en el sistema WITec Alpha 300R. Las imágenes de electrones secundarios FE-SEM se adquirieron utilizando un Zeiss Supra55VP FESEM operado a 2–5 kV.

Cómo citar este artículo: Polsen, ES et al. Fabricación rollo a rollo de alta velocidad de grafeno utilizando un reactor CVD de tubo concéntrico. ciencia Rep. 5, 10257; doi: 10.1038/srep10257 (2015).

Novoselov, KS y col. hoja de ruta para el grafeno. Naturaleza 490, 192–200 (2012).

ANUNCIOS CAS PubMed Google Académico

Kim, KS et al. Crecimiento de patrones a gran escala de películas de grafeno para electrodos transparentes estirables. Naturaleza 457, 706–710 (2009).

ANUNCIOS CAS PubMed Google Académico

Bonaccorso, F., Sun, Z., Hasan, T. & Ferrari, AC Graphene photonics and optoelectronics. Nat. Fotónica. 4, 611–622 (2010).

ADS CAS Google Académico

Bernardi, M., Palummo, M. & Grossman, JC Absorción extraordinaria de luz solar y energía fotovoltaica de un nanómetro de espesor utilizando materiales bidimensionales monocapa. Nano Lett. 13, 3664–3670 (2013).

ANUNCIOS CAS PubMed Google Académico

Cohen-Tanugi, D. & Grossman, JC Desalinización de agua a través de grafeno nanoporoso. Nano Lett. 12, 3602–3608 (2012).

ANUNCIOS CAS PubMed Google Académico

Nair , RR , Wu , HA , Jayaram , PN , Grigorieva , IV y Geim , AK Permeación de agua sin obstáculos a través de membranas a base de grafeno herméticas a las fugas de helio . Ciencia 335, 442–444.

ANUNCIOS CAS PubMed Google Académico

Huang, X., Qi, X., Boey, F. y Zhang, H. Compuestos basados ​​en grafeno. química Soc. Rev. 41, 666–686 (2012).

CAS PubMed Google Académico

Li, X. et al. Síntesis de gran área de películas de grafeno uniformes y de alta calidad en láminas de cobre. Ciencia 324, 1312–1314 (2009).

ANUNCIOS CAS PubMed Google Académico

Reina, A. et al. Películas de grafeno de pocas capas y área grande sobre sustratos arbitrarios mediante deposición química de vapor. Nano Lett. 9, 30–35 (2009).

ANUNCIOS CAS PubMed Google Académico

Li, X. et al. Transferencia de películas de grafeno de gran área para electrodos conductores transparentes de alto rendimiento. Nano Lett. 9, 4359–4363 (2009).

ANUNCIOS CAS PubMed Google Académico

Su, C. et al. Formación directa de capas delgadas de grafeno a escala de oblea sobre sustratos aislantes mediante deposición química de vapor. Nano Lett. 11, 3612–3616 (2011).

ANUNCIOS CAS PubMed Google Académico

Lee, Y. et al. Síntesis a escala de oblea y transferencia de películas de grafeno. Nano Lett. 10, 490–493 (2010).

ANUNCIOS CAS PubMed Google Académico

Bae, S. et al. Producción rollo a rollo de películas de grafeno de 30 pulgadas para electrodos transparentes. Nat. Nanotecnología. 5, 574–578 (2010).

ANUNCIOS CAS PubMed Google Académico

Hesjedal, T. Crecimiento continuo de rollo a rollo de películas de grafeno por deposición química de vapor. aplicación física Letón. 98, 133106(1)–133106(3) (2011).

ANUNCIOS Google Académico

Yamada, T., Ishihara, M., Kim, J., Hasegawa, M. & Iijima, S. Un proceso de deposición química de vapor de plasma de microondas rollo a rollo para la producción de películas de grafeno de 294 mm de ancho a baja temperatura. Carbono 50, 2615–2619 (2012).

CAS Google Académico

Vlassiouk, I. et al. Deposición química de vapor de grafeno a presión atmosférica a gran escala. Carbono 54, 58–67 (2013).

CAS Google Académico

Kobayashi, T. et al. Producción de una película conductora transparente de grafeno de alta calidad de 100 m de largo mediante un proceso de deposición y transferencia de vapor químico rollo a rollo. aplicación física Letón. 102, 023112(1)–023112(4) (2013).

ANUNCIOS Google Académico

Liu, Y. & Kumar, S. Avances recientes en la fabricación, estructura y propiedades de las fibras de carbono. polim. Rev. 52, 234–258 (2012).

CAS Google Académico

Fitzer, E., Frohs, W. & Heine, M. Optimización del tratamiento de estabilización y carbonización de fibras de pan y caracterización estructural de las fibras de carbono resultantes. Carbono 24, 387–395 (1986).

CAS Google Académico

Huang, X. Fabricación y propiedades de las fibras de carbono. Materiales 2, 2369–2403 (2009).

ADS CAS PubMed Central Google Académico

Jain, K., Klosner, M., Zemel, M. y Raghunandan, S. Electrónica y pantallas flexibles: tecnologías de procesamiento de litografía y fotoablación para una producción de alto rendimiento. proc. IEEE 93, 1500–1510 (2005).

CAS Google Académico

Kim, H. et al. Rutas de energía de activación para la nucleación y crecimiento de grafeno en Cu. ACS Nano 6, 3614–3623 (2012).

CAS PubMed Google Académico

Kidambi, PR et al. El espacio de parámetros de la deposición química de vapor de grafeno en Cu policristalino. J. física. química C 116, 22492–22501 (2012).

CAS Google Académico

Huang, L. et al. La influencia de la temperatura de recocido en la morfología de las islas de grafeno. fisioterapia china B 21, 088102(1)–088102(5) (2012).

ANUNCIOS Google Académico

Bhaviripudi, S., Jia, X., Dresselhaus, MS y Kong, J. Papel de los factores cinéticos en la síntesis de deposición química de vapor de grafeno uniforme de gran área utilizando catalizador de cobre. Nano Lett. 10, 4128–33 (2010).

ANUNCIOS CAS PubMed Google Académico

Robinson, VNE & Robins, JL Cinética de nucleación de oro depositado en superficies de NaCl y KBr escindidas por UHV. Películas sólidas delgadas 20, 155–175 (1974).

ANUNCIOS Google Académico

Ferrari, AC et al. Espectro Raman de grafeno y capas de grafeno. física Rev. Lett. 97, 187401(1)–187401(4) (2006).

ANUNCIOS Google Académico

Cancado, LG et al. Cuantificación de defectos en grafeno mediante espectroscopia raman a diferentes energías de excitación. Nano Lett. 11, 3190–3196 (2011).

ANUNCIOS CAS PubMed Google Académico

Kidambi, PR et al. Observando el crecimiento del grafeno: interacciones catalizador-grafeno durante el crecimiento escalable del grafeno en cobre policristalino. Nano Lett. 13, 4769–4778 (2013).

ANUNCIOS CAS PubMed PubMed Central Google Académico

Wofford, JM, Nie, S., McCarty, KF, Bartelt, NC y Dubon, OD Islas de grafeno en láminas de cobre: ​​la interacción entre forma, orientación y defectos. Nano Lett. 10, 4890–4896 (2010).

ANUNCIOS CAS PubMed Google Académico

Kim, S. et al. Dependencia del tamaño de la dispersión raman de los puntos cuánticos de grafeno: interacción entre forma y grosor. aplicación física Letón. 102, 053108(1)–053108(3) (2013).

ANUNCIOS Google Académico

Ramón, ME et al. Síntesis compatible con CMOS de grafeno de alta movilidad y área grande mediante deposición química de vapor de acetileno en películas delgadas de cobalto. ACS Nano 5, 7198–7204 (2011).

CAS PubMed Google Académico

Thiele, S. et al. Ingeniería de películas de Ni policristalino para mejorar la uniformidad del espesor de las películas de grafeno cultivadas por deposición química de vapor. Nanotecnología 21, 015601(1)–015601(9) (2010).

ANUNCIOS Google Académico

Yu, Q. et al. Control y caracterización de granos individuales y límites de granos en grafeno cultivado por deposición química de vapor. Nat. Mate. 10, 443–449 (2011).

ANUNCIOS CAS PubMed Google Académico

Rasool, HI et al. Continuidad de grafeno sobre cobre policristalino. Nano Lett. 11, 251–256 (2011).

ANUNCIOS CAS PubMed Google Académico

Murdock, AT et al. Control de la orientación, la geometría de los bordes y el espesor de la deposición química de vapor de grafeno. ACS Nano 7, 1351–1359 (2013).

CAS PubMed Google Académico

Zhao, L. et al. Influencia de la superficie del cristal de cobre en el crecimiento de CVD de grafeno monocapa de gran área. Comunes de estado sólido. 151, 509–513 (2011).

ADS CAS Google Académico

Jacobberger, RM & Arnold, MS Dinámica de crecimiento de grafeno en películas delgadas epitaxiales de cobre. química Mate. 25, 871–877 (2013).

CAS Google Académico

Weatherup, RS et al. Presentamos barreras de difusión de carbono para un crecimiento uniforme de grafeno de alta calidad a partir de fuentes sólidas. Nano Lett. 13, 4624–4631 (2013).

ANUNCIOS CAS PubMed PubMed Central Google Académico

Trinsoutrot, P. et al. Grafeno de alta calidad sintetizado por CVD a presión atmosférica sobre lámina de cobre. Navegar. Abrigo. tecnologia 230, 87–92 (2013).

CAS Google Académico

Nessim, GD et al. La química de los gases precursores determina la cristalinidad de los nanotubos de carbono sintetizados a baja temperatura. Carbón 49, 804–810 (2011).

CAS Google Académico

Plata, D., Meshot, E. & Reddy, C. Los alquinos múltiples reaccionan con el etileno para mejorar la síntesis de nanotubos de carbono, lo que sugiere un mecanismo de formación similar a la polimerización. ACS Nano 4, 7185–7192 (2010).

CAS PubMed Google Académico

Zhang, Y., Li, Z., Kim, P., Zhang, L. y Zhou, C. Grabado con hidrógeno anisotrópico de grafeno depositado con vapor químico. ACS Nano 6, 126–132 (2012).

Académico de Google de PubMed

Plata, DL, Hart, AJ, Reddy, CM & Gschwend, PM Evaluación temprana de los impactos ambientales potenciales de la síntesis de nanotubos de carbono por deposición de vapor químico. Reinar. ciencia Tecnología 43, 8367–8373 (2009).

ANUNCIOS CAS PubMed Google Académico

Healy, ML, Dahlben, LJ e Isaacs, JA Evaluación ambiental de los procesos de nanotubos de carbono de pared simple. J. Ind. Ecol. 12, 376–393 (2008).

CAS Google Académico

Juang, Z. et al. Síntesis de grafeno por deposición química de vapor y transferencia por un proceso de rollo a rollo. Carbono N.Y. 48, 3169–3174 (2010).

CAS Google Académico

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Este trabajo fue apoyado por el Programa de nanofabricación escalable de la Fundación Nacional de Ciencias (DMR-1120187) y el Departamento de Defensa, Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, Beca para Graduados en Ciencias e Ingeniería de la Defensa Nacional (NDSEG), 32 CFR 168a otorgado a ESPSWP fue apoyado por una beca postdoctoral de ciencia, ingeniería y educación para la sustentabilidad de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF SEES) (Número de premio 1415129). La microscopía electrónica se realizó utilizando las instalaciones experimentales compartidas de CMSE en el MIT, con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias con el número de concesión DMR-08-19762; y en el Centro de Sistemas a Nanoescala (CNS) de la Universidad de Harvard, miembro de la Red Nacional de Infraestructura de Nanotecnología (NNIN), que cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias bajo el premio NSF no. ECS-0335765. La espectroscopia Raman y la microscopia óptica se realizaron en el laboratorio de Joerg Lahann en el Instituto Biointerfaces de la Universidad de Michigan; damos las gracias al grupo Lahann por su ayuda.

Eric S. Polsen

Dirección actual: US Army TARDEC, RDTA-RTIGSS, MS 263, 6501 E. 11 Mile Road, Warren, MI, 48397-5000

B. Viswanath

Dirección actual: Escuela de Ingeniería, Instituto Indio de Tecnología Mandi, Himachal Pradesh, India

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Michigan, 2350 Hayward St., Ann Arbor, MI, 48109, EE. UU.

Erik S. Polsen, Daniel Q. McNerny y A. John Hart

Departamento de Ingeniería Mecánica y Laboratorio de Fabricación y Productividad, Instituto Tecnológico de Massachusetts, 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA, 02139, EE. UU.

B. Viswanath, Sebastian W. Pattinson y A. John Hart

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AJH y ESP conceptualizaron y diseñaron el sistema CVD de tubo concéntrico, que fue construido con películas de grafeno fabricadas por ESPESP; ESP y DQM realizaron microscopía óptica, espectroscopía Raman y análisis correspondientes; ESP, BV y SWP realizaron microscopía electrónica de barrido; ESP y DQM realizaron la transferencia de grafeno; y AJH supervisó la investigación. ESP, DQM y AJH escribieron el manuscrito. Todos los autores discutieron los resultados y revisaron y comentaron el manuscrito.

Los autores declaran no tener intereses financieros en competencia.

Este trabajo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en la línea de crédito; si el material no está incluido bajo la licencia Creative Commons, los usuarios deberán obtener el permiso del titular de la licencia para reproducir el material. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Reimpresiones y permisos

Polsen, E., McNerny, D., Viswanath, B. et al. Fabricación rollo a rollo de alta velocidad de grafeno utilizando un reactor CVD de tubo concéntrico. Informe científico 5, 10257 (2015). https://doi.org/10.1038/srep10257

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Recibido: 22 de enero de 2015

Aceptado: 07 abril 2015

Publicado: 21 de mayo de 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep10257

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