O grafeno é cultivado no cobre principalmente devido à baixa solubilidade do carbono no cobre, o que facilita um mecanismo de crescimento baseado na superfície que resulta em folhas de grafeno de alta qualidade e de grande área. Este método é particularmente eficaz em processos de deposição química de vapor (CVD), em que o cobre actua como catalisador e substrato.
Explicação pormenorizada:
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Baixa solubilidade de carbono do cobre: O cobre tem uma baixa solubilidade de carbono em comparação com outros metais de transição como o níquel. Esta propriedade é crucial porque permite um mecanismo de crescimento do grafeno baseado na superfície. Nos processos CVD, quando o cobre é exposto a hidrocarbonetos gasosos a altas temperaturas, os átomos de carbono dos hidrocarbonetos não se dissolvem facilmente no cobre, mas formam camadas de grafeno à superfície. Isto leva à formação de grafeno diretamente na superfície do cobre sem incorporação significativa no substrato metálico.
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Mecanismo de crescimento à superfície: O mecanismo de crescimento superficial no cobre é vantajoso porque normalmente resulta em menos defeitos e grafeno de maior qualidade. Uma vez que o grafeno se forma diretamente na superfície, é menos provável que seja afetado por impurezas ou defeitos que possam surgir de interacções com o metal a granel. Isto contrasta com o níquel, que tem uma elevada solubilidade em carbono e conduz a um mecanismo em que o carbono se difunde no metal a granel e depois precipita como grafeno durante o arrefecimento, resultando frequentemente em grafeno multicamada com mais defeitos.
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Produção de grafeno em grandes áreas: Os substratos de cobre são também favorecidos porque permitem a produção de folhas de grafeno de grande área. A utilização de invólucros de cobre como substratos proporciona um local de deposição de grande dimensão para o grafeno e, através de um controlo cuidadoso dos parâmetros do processo CVD, como a temperatura e a pressão, os investigadores conseguiram produzir folhas de grafeno monocristalino com tamanhos até 2 mm. Esta escalabilidade é importante para aplicações práticas, particularmente em eletrónica e fotónica, onde são necessárias películas de grafeno grandes e uniformes.
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Redução dos desafios de transferência: O crescimento de grafeno diretamente sobre cobre pode também atenuar alguns dos desafios associados à transferência de grafeno do substrato de crescimento para outros substratos para o fabrico de dispositivos. O crescimento direto no cobre pode ser vantajoso para aplicações em que o cobre pode permanecer como parte da estrutura final do dispositivo, reduzindo a necessidade de transferência e melhorando potencialmente o desempenho e a fiabilidade globais do dispositivo.
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Tratamento de superfície melhorado: Os investigadores também desenvolveram técnicas para melhorar ainda mais a qualidade do grafeno cultivado em cobre, tratando o substrato de cobre antes do processo CVD. Isto pode envolver tratamentos químicos que reduzem a atividade catalítica, aumentam a granulometria do cobre e modificam a morfologia da superfície para facilitar o crescimento do grafeno com menos imperfeições.
Em resumo, o crescimento do grafeno no cobre é impulsionado pela baixa solubilidade do carbono no metal, que suporta um mecanismo de crescimento baseado na superfície que produz grafeno de alta qualidade e de grande área. Este método é particularmente eficaz nos processos CVD e oferece vantagens significativas em termos de escalabilidade e potencial de integração direta em dispositivos electrónicos.
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