O grafeno é cultivado em 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 nos processos de deposição química de vapor (CVD), em que o cobre actua como catalisador e substrato.
Porque é que o grafeno é cultivado em cobre? 5 razões principais explicadas
1. 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.
2. Mecanismo de crescimento à superfície
O mecanismo de crescimento superficial no cobre é vantajoso porque normalmente resulta em menos defeitos e em 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 das interações com o metal a granel.
Isto contrasta com o níquel, que tem uma elevada solubilidade de 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 multicamadas com mais defeitos.
3. Produção de grafeno em grandes superfícies
Os substratos de cobre são também favorecidos por permitirem a produção de folhas de grafeno de grandes dimensões.
A utilização de invólucros de cobre como substratos proporciona um local de deposição de grandes dimensões para o grafeno.
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 dimensões até 2 mm.
Esta escalabilidade é importante para aplicações práticas, em especial na eletrónica e na fotónica, onde são necessárias películas de grafeno grandes e uniformes.
4. 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 sobre cobre pode ser vantajoso para aplicações em que o cobre pode permanecer como parte da estrutura final do dispositivo.
Isto reduz a necessidade de transferência e melhora potencialmente o desempenho e a fiabilidade globais do dispositivo.
5. 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 de 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.
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