محققان دانشگاه کلمبیا با همکاری پژوهشگران دانشگاه مونترال و موسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا (NIST) نشان دادند که چگونه اکسیژن در مقادیر بسیار کم بر سرعت رشد گرافن تأثیر می‌گذارد و پیوند بین اکسیژن و کیفیت گرافن برای اولین بار در این پروژه نشان داده شد.
با ترفندی، تولید گرافن با روش CVD بهبود یافت
این تیم تحقیقاتی توضیح می‌دهد که از بین بردن تقریباً تمام اکسیژن در فرآیند رشد، کلید دستیابی به سنتز گرافن با کیفیت بالا با روش CVD است، یافته‌ای که می‌تواند نقطه عطفی برای تولید در مقیاس بزرگ گرافن باشد.
یکی از روش‌های رایج سنتز گرافن لایه‌برداری از گرافیت توده‌ای است. این روش اگر به صورت خالص انجام نشود و آلودگی همراه نمونه باشد، گرافن تولید شده از خواص مطلوبی برخوردار نخواهد بود. تولید گرافن با روش لایه‌برداری منجر به محصولات گرافنی با ابعاد در حد چند ده میکرون می‌شود که برای مقیاس صنعتی چندان مناسب نیست و برای تحقیقات آزمایشگاهی قابل استفاده است.
برای انتقال از کار آزمایشگاهی به برنامه های کاربردی در دنیای واقعی، محققان روشی را برای سنتز گرافن از حدود ۱۵ سال پیش ارائه کردند. در این فرآیند که به رشد CVD شناخته می‌شود، یک گاز حاوی کربن مانند متان را از روی سطح مس در دمای بالا (حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد) عبور می‌دهند. متان از هم پاشیده می‌شود و اتم‌های کربن دوباره به گونه‌ای شکل می‌گیرند تا یک ساختار لانه زنبوری تشکیل دهند. با این روش می‌توان گرافن در ابعاد چند سانتی‌متر یا حتی چندین متر تولید کرد. با این حال روش سنتز CVD از مشکلاتی نظیر تکرارپذیری و کیفیت متغیر محصول رنج می‌برد.
در این میان، مسئله اصلی اکسیژن بود. در مقالات قبلی محققانی نظیر ریچارد مارتل و پیر لوزک از مونترال نشان داده بودند که مقادیر کمی از اکسیژن می‌توانند سرعت رشد را کاهش دهد و حتی گرافن را از بین ببرند. حدود شش سال پیش، کریستوفر دی‌ماکرو سامانه‌ای طراحی کرد که در آن مقدار اکسیژن تزریق شده به سیستم را می‌توان با دقت کنترل کرد.
در این پروژه ژینژو یان و جاکوب آمونتری کار دی‌ماکرو را ادامه دادند. آن‌ها سامانه CVD پیشین را به گونه‌ای توسعه دادند که عملکرد بهتری داشته باشد. این گروه دریافت وقتی اکسیژن نباشد، رشد CVD بسیار سریع‌تر انجام می‌شود و هر بار نتایج مشابهی را ارائه می‌دهد. آن‌ها همچنین سینتیک رشد گرافن CVD بدون اکسیژن را مورد مطالعه قرار دادند و دریافتند که یک مدل ساده می‌تواند سرعت رشد را در طیف وسیعی از پارامترهای مختلف از جمله فشار گاز و دما پیش‌بینی کند.
