Membuka Potensi Graphene: Metode Bebas Oksigen Merevolusi Produksi

Insinyur Columbia menghubungkan oksigen dengan graphene kualitas dan mengembangkan teknik baru untuk memproduksi bahan ajaib dalam skala besar.

Graphene disebut sebagai “bahan ajaib abad ke-21”. Sejak ditemukan pada tahun 2004, materials tersebut—satu lapisan atom karbon—telah disebut-sebut memiliki sifat unik, termasuk konduktivitas listrik yang sangat tinggi dan kekuatan tarik yang luar biasa. Teknologi ini mempunyai potensi untuk mengubah elektronik, penyimpanan energi, sensor, perangkat biomedis, dan banyak lagi. Tapi graphene punya rahasia kecil yang kotor: kotor.

Terobosan dalam Sintesis Graphene

Sekarang, para insinyur di Universitas Columbia dan rekan-rekannya di Universitas Montreal dan Institut Standar dan Teknologi Nasional (NIST) siap untuk membersihkan keadaan dengan metode deposisi uap kimia bebas oksigen (OF-CVD) yang dapat menghasilkan sampel graphene berkualitas tinggi dalam skala besar. Karya mereka, diterbitkan pada tanggal 29 Mei di Alam, secara langsung menunjukkan bagaimana jejak oksigen mempengaruhi laju pertumbuhan graphene dan mengidentifikasi hubungan antara oksigen dan kualitas graphene untuk pertama kalinya.

“Kami menunjukkan bahwa menghilangkan hampir semua oksigen dari proses pertumbuhan adalah kunci untuk mencapai sintesis graphene CVD berkualitas tinggi yang dapat direproduksi,” kata penulis senior James Hone, Profesor Teknik Mesin Wang Fong-Jen di Columbia Engineering. “Ini merupakan tonggak sejarah menuju produksi graphene skala besar.”

Metode Sejarah Produksi Graphene

Graphene secara historis disintesis dalam salah satu dari dua cara. Ada metode “scotch-tape”, di mana setiap lapisan dikupas dari sampel grafit dalam jumlah besar (bahan yang sama yang dapat Anda temukan pada ujung pensil) menggunakan selotip rumah tangga. (Lihat video di bawah.) Sampel yang terkelupas tersebut bisa jadi cukup bersih dan bebas dari kotoran yang dapat mengganggu sifat graphene yang diinginkan. Namun, ukurannya cenderung terlalu kecil—hanya berukuran beberapa puluh mikrometer—untuk aplikasi skala industri sehingga lebih cocok untuk penelitian laboratorium.

Untuk beralih dari eksplorasi laboratorium ke aplikasi dunia nyata, para peneliti mengembangkan metode untuk mensintesis graphene space luas sekitar 15 tahun yang lalu. Proses ini, yang dikenal sebagai pertumbuhan CVD, melewatkan fuel yang mengandung karbon, seperti metana, di atas permukaan tembaga pada suhu yang cukup tinggi (sekitar 1000 °C) sehingga metana terpecah dan atom karbon tersusun ulang membentuk sarang lebah tunggal. lapisan berbentuk graphene.

Tantangan Dengan Pertumbuhan CVD Tradisional

Pertumbuhan CVD dapat ditingkatkan untuk membuat sampel graphene berukuran sentimeter atau bahkan meter. Namun, meskipun ada upaya bertahun-tahun dari kelompok penelitian di seluruh dunia, sampel yang disintesis CVD mengalami masalah dengan reproduktifitas dan kualitas yang bervariasi.

Masalahnya adalah oksigen. Dalam publikasi sebelumnya, rekan penulis Richard Martel dan Pierre Levesque dari Montreal telah menunjukkan bahwa sejumlah kecil oksigen dapat memperlambat proses pertumbuhan dan bahkan menghilangkan graphene. Jadi, sekitar enam tahun yang lalu, Christopher DiMarco, GSAS'19, merancang dan membangun sistem pertumbuhan CVD di mana jumlah oksigen yang dimasukkan selama proses pengendapan dapat dikontrol dengan cermat.

Kemajuan dalam Pertumbuhan CVD Bebas Oksigen

Mahasiswa PhD saat ini Xingzhou Yan dan Jacob Amontree melanjutkan pekerjaan DiMarco dan semakin meningkatkan sistem pertumbuhan. Mereka menemukan bahwa ketika sisa oksigen dihilangkan, pertumbuhan CVD jauh lebih cepat—dan memberikan hasil yang sama setiap saat. Mereka juga mempelajari kinetika pertumbuhan graphene CVD bebas oksigen dan menemukan bahwa mannequin sederhana dapat memprediksi laju pertumbuhan pada berbagai parameter berbeda, termasuk tekanan fuel dan suhu.

Jacob Amontree (kiri) dan Xingzhou Yan (kanan) menampilkan graphene CVD murni yang disintesis pada wafer tembaga/safir ultra-datar. Kredit: Zhiying Wang, Universitas Columbia

Prospek dan Penerapan Masa Depan

Kualitas sampel yang ditumbuhkan OF-CVD terbukti hampir identik dengan kualitas graphene yang terkelupas. Bekerja sama dengan rekan-rekan di departemen fisika Columbia, graphene mereka menunjukkan bukti mencolok untuk efek Corridor kuantum fraksional di bawah medan magnet, sebuah fenomena kuantum yang sebelumnya hanya diamati dalam sistem kelistrikan dua dimensi berkualitas sangat tinggi.

Dari sini, tim berencana untuk mengembangkan metode untuk mentransfer graphene berkualitas tinggi secara bersih dari katalis pertumbuhan logam ke substrat fungsional lainnya seperti silikon — bagian terakhir dari teka-teki untuk memanfaatkan sepenuhnya bahan ajaib ini.

“Kami berdua terpesona oleh graphene dan potensinya sebagai mahasiswa sarjana,” kata Amontree dan Yan. “Kami melakukan eksperimen yang tak terhitung jumlahnya dan mensintesis ribuan sampel selama empat tahun terakhir studi PhD kami. Melihat penelitian ini akhirnya membuahkan hasil adalah mimpi yang menjadi kenyataan.”

Referensi: “Sintesis grafena yang dapat direproduksi melalui pengendapan uap kimia bebas oksigen” oleh Jacob Amontree, Xingzhou Yan, Christopher S. DiMarco, Pierre L. Levesque, Tehseen Adel, Jordan Pack, Madisen Holbrook, Christian Cupo, Zhiying Wang, Dihao Solar, Adam J. Biacchi, Charlezetta E. Wilson-Stokes, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Cory R. Dean, Angela R. Hight Walker, Katayun Barmak, Richard Martel dan James Hone, 29 Mei 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-024-07454-5

Pekerjaan ini diprakarsai oleh mahasiswa PhD Teknik Mesin Christopher DiMarco dan dilanjutkan oleh mahasiswa PhD saat ini Xingzhou Yan dan Jacob Amontree, yang telah menghabiskan empat tahun terakhir memodifikasi sistem dan melakukan eksperimen yang ditunjukkan dalam makalah. Pekerjaan ini diawasi oleh Prof. James Hone (Teknik Mesin) dan dipimpin bersama oleh Prof. Katayun Barmak (APAM), dengan Prof. Abhay Pasupathy dan Prof. Cory Dean (Fisika) memberikan kontribusi penting. Postdoc Madisen Holbrook (Fisika) mencitrakan kisi atom graphene, dan mahasiswa PhD Christian Cupo dan Zhiying Wang (MECE) membantu analisis dan pengukuran knowledge. Mahasiswa PhD Fisika Jordan Pack, Dihao Solar, dan Adam Biachhi melakukan pengukuran listrik utama.

Richard Martel dan Pierre Levesque di Universitas Montreal membantu memandu penelitian dan menguji reproduktifitas hasilnya. Tim Dr. Angela Hight-Walker di Institut Nasional untuk Standar dan Teknologi, khususnya Dr. Tehseen Adel dan Dr. Charlezetta Wilson-Stokes, mengkarakterisasi graphene.