Alto

Scientific Reports volume 5, Número do artigo: 10257 (2015) Citar este artigo

19k Acessos

137 Citações

51 Altmétrica

Detalhes das métricas

Apresentamos o projeto de um reator de tubo concêntrico (CT) para deposição de vapor químico roll-to-roll (CVD) em substratos flexíveis e sua aplicação para produção contínua de grafeno em folha de cobre. No reator CTCVD, o substrato de folha fina é enrolado helicoidalmente em torno do tubo interno e transladado através do espaço entre os tubos concêntricos. Usamos uma máquina protótipo em escala de bancada para sintetizar grafeno em substratos de cobre em velocidades de translação variando de 25 mm/min a 500 mm/min e investigamos a influência dos parâmetros do processo na uniformidade e cobertura do grafeno em uma folha em movimento contínuo. Em velocidades mais baixas, forma-se grafeno monocamada de alta qualidade; em velocidades mais altas, a rápida nucleação de pequenos domínios de grafeno é observada, mas a coalescência é evitada pelo tempo de residência limitado no sistema CTCVD. Mostramos que uma transição isotérmica suave entre as atmosferas redutoras e contendo carbono, possibilitada pela injeção da matéria-prima de carbono por meio de orifícios radiais no tubo interno, é essencial para o CVD de grafeno roll-to-roll de alta qualidade. Discutimos como a qualidade da folha e a microestrutura limitam a uniformidade do grafeno nas dimensões macroscópicas. Concluímos discutindo meios de dimensionar e reconfigurar o projeto CTCVD com base nos requisitos gerais para fabricação de materiais 2-D.

A integração de materiais bidimensionais (2-D) com aplicações que exigem produção econômica em grandes áreas requer a compreensão de como os métodos de síntese em escala de laboratório podem ser convertidos em processos de fabricação contínuos. Para filmes finos de grafeno, tais aplicações promissoras incluem eletrodos transparentes para monitores e fotovoltaicos, membranas de filtração de alto desempenho e termovisores1,2,3,4,5,6,7. A síntese direta de grafeno em substratos por deposição química de vapor (CVD) surgiu como uma técnica altamente atraente para essas aplicações devido à sua compatibilidade com ferramentas de processamento de filmes finos e sua potencial escalabilidade para grandes áreas1. Como resultado de esforços contínuos de pesquisa, o transporte elétrico de grafeno sintetizado por CVD em substratos está se aproximando do grafeno esfoliado e um portfólio crescente de receitas de CVD pode ser aplicado a substratos de tamanho crescente (escala de centímetro a wafer) e diversidade (por exemplo, filmes finos metálicos depositados sobre Si e quartzo, além de folhas metálicas)2,8,9,10,11,12.

Vários sistemas e métodos para produção de grafeno roll-to-roll (R2R) têm sido apresentados na literatura acadêmica13,14,15,16,17. No início, Hesjedal e seus colegas usaram um forno de tubo modificado para produção R2R de grafeno multicamadas em folha de Cu (25 μm de espessura, 1 m de comprimento) a 1–40 cm/min14. Yamada e seus colegas apresentaram um sistema CVD de plasma de micro-ondas personalizado e relataram a cobertura completa de grafeno multicamadas a uma taxa de alimentação de 30 cm/min usando folha de Cu com 294 mm de largura15. Embora o processo aprimorado por plasma permitisse crescimento em baixa temperatura (> 400 °C), isso também limitava a qualidade do grafeno e o tamanho do domínio. Mais recentemente, Kobayashi e colegas produziram grafeno predominantemente de camada única de alta qualidade em folha de Cu (230 mm de largura, 36 μm de espessura) a 10 cm/min usando um sistema R2R CVD que aqueceu resistivamente a folha de Cu alimentada entre dois rolos de eletrodos17. Após a transferência subsequente, a cobertura de grafeno de 89 a 98% foi relatada no substrato final, que era um filme de tereftalato de polietileno (PET). Paralelamente a esses esforços, um progresso notável foi feito no crescimento de DCV em lote. Em 2010, Bae et al. produziu filmes de grafeno uniformes em folhas de Cu de 30" diagonais que foram enroladas em um tubo de quartzo de 7,5" de diâmetro colocado para processamento estático dentro de um tubo de quartzo de 8" de diâmetro dentro de um forno de tubo. Os filmes de grafeno foram subsequentemente transferidos para PET após uma corrosão química úmida de o Cu13. Uma técnica semelhante foi usada por Vlassiouk et al. para produzir filmes diagonais de 40" de grafeno que foram subsequentemente transferidos para PET16.