مطالعه ی رشد گرافین به روش رسوب بخار شیمیایی با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی

تولید انبوه گرافین با کیفیت مطلوب یکی از چالش های پیش رو در تحقیقات اخیر است. یکی از روش های موفق تولید گرافین، روش رسوب بخار شیمیایی می باشد. در این روش گاز هیدروکربنی در فشار خیلی پایین (‎‎10‎^{-5}‎‎ ‎ تور) و دمای ‎800‎ تا ‎1000‎ درجه سلسیوس از روی یک زیرلایه که معمولاً بلور فلزی از جنس مس یا نیکل است‏، عبور داده می شود و اتم های کربن آزاد شده‎‎‏، روی زیرلایه رسوب کرده و تشکیل فیلم گرافین می دهند. بررسی کنترل دما، آهنگ خنک سازی، ناخالصی های احتمالی و نقص های بلوری زیرلایه اهمیت فراوانی دارد. ‎در این کار پژ‎وهشی با استفاده از ‎‎شبیه سازی دینامیک مولکولی‏، رشد گرافین بررسی شده است. برای این منظور سطح ‎(‎100‎)‎ نیکل به عنوان زیرلایه انتخاب شد. با انتخاب پتانسیل برنر بین اتم های کربن، پتانسیل ‎eam‎ بین اتم های نیکل و پتانسیل لنارد-جونز بین اتم های کربن و نیکل سیستم شبیه سازی، و با ترموستات نوزه و هوور دمای سیستم کنترل شد. سه روش برای انجام شبیه سازی در نظر گرفته شد. در روش اول اتم های کربن با غلظت های مختلف در داخل زیرلایه ی نیکل حل شدند و سپس سیستم با آهنگ های مختلف سرد شد. در سرد کردن با آهنگ 13~k/fs‎ همه ی اتم های کربن به سطح مهاجرت کردند و شش ضلعی هایی تشکیل شد و بقیه ی اتم های کربن روی سطح زنجیره ی کربنی طولانی تشکیل دادند. در روش دوم اتم های کربن به طور تصادفی و هم زمان بالای سطح نیکل تولید شدند. شبیه سازی با غلظت های مختلف اتم های‎ کربن و در دماهای مختلف انجام شد. برای حالت با 144 اتم کربن‏، کمترین نواقص مربوط به دما های 1000‏، 1200 و 1400 کلوین می باشد. در روش سوم اتم های کربن یکی پس از دیگری با فاصله ی زمانی متوسط ‎9‎ پیکوثانیه ‎‎به دو صورت منظم و تصادفی وارد سیستم شدند. اثر پارامترهای مختلف از جمله دمای اتم های کربن، آهنگ رسوب کربن‎‎‏، اثر دمای زیرلایه و نقص زیرلایه در فرآیند تشکیل گرافین بررسی شد. نتایج نشان داد که با افزایش دمای شار کربن ورودی‏، تعداد شش ضلعی های تشکیل شده بیشینه است. دمای بهینه برای شار ورودی 5000 و 5500 کلوین به دست آمد. با کاهش آهنگ رسوب کربن تعداد چند ضلعی های تشکیل شده که به عنوان نقص در شبکه ی گرافین هستند‏، کمتر شده و کیفیت گرافین بهتر می شود. همچنین شبیه سازی به ازای دماهای مختلف زیرلایه انجام شد و نتایج نشان داد دمای زیرلایه تأثیر چندانی در کیفیت فیلم گرافین ندارد. نتایج شبیه سازی برای زیرلایه ی نقص دار در دماهای مختلف شار ورودی نشان داد که حتی با وجود نقص در زیرلایه‏، کیفیت بهینه ی گرافین‏، مربوط به دماهای 5000 و 5500 کلوین می باشد و‎‎‎ کیفیت گرافین تشکیل شده روی زیرلایه ی نقص دار بهتر از زیرلایه ی بدون نقص می باشد.