一種新方法可大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯

石墨烯被稱為“21世紀(jì)的神奇材料”。自2004年發(fā)現(xiàn)以來，這種單層碳原子材料一直因其眾多獨(dú)特性能而備受推崇。但目前大量生產(chǎn)的石墨烯有個(gè)缺點(diǎn)：質(zhì)量不高�，F(xiàn)在，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)和加拿大蒙特利爾大學(xué)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種新方法，利用無氧化學(xué)氣相沉積（OF-CVD）法來凈化石墨烯，從而大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯。相關(guān)論文發(fā)表在29日的《自然》雜志上。

圖片:搜狗截圖20240601135217.png

哥倫比亞工程大學(xué)的Hone實(shí)驗(yàn)室采用無氧化學(xué)氣相沉積法創(chuàng)建了100多個(gè)相同的石墨烯樣品。

這項(xiàng)研究展示了微量氧如何影響石墨烯的生長(zhǎng)速度，并首次確定了氧氣和石墨烯質(zhì)量之間的聯(lián)系。實(shí)驗(yàn)顯示，要利用化學(xué)氣相沉積（CVD）法合成高質(zhì)量石墨烯，在生長(zhǎng)過程中清除氧氣是關(guān)鍵。這一發(fā)現(xiàn)或是邁向大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的一個(gè)里程碑。

制造石墨烯的方法有兩種，其中之一是“透明膠帶法”。利用家用膠帶從石墨上“撕”出不同的層。這種方法剝離的石墨烯非常干凈，不含影響其性能的雜質(zhì)，但只有幾十微米寬，只適合實(shí)驗(yàn)室研究，不適合工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。

為了探索石墨烯生產(chǎn)如何從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，研究人員在大約15年前開發(fā)了一種合成大面積石墨烯的方法，這一過程稱為化學(xué)氣相沉積（CVD）生長(zhǎng)法。在足夠高的溫度（約1000℃）下，讓含碳?xì)怏w（如甲烷）通過銅表面，使甲烷分解，碳原子重新排列，形成單一的蜂窩狀石墨烯層。CVD生長(zhǎng)法可以擴(kuò)大規(guī)模，制造幾厘米甚至幾米大的石墨烯樣品。然而，CVD生長(zhǎng)法合成的樣品質(zhì)量卻存在一致性欠佳、穩(wěn)定性不足等問題。

此次，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，每當(dāng)消除微量氧時(shí)，石墨烯的生長(zhǎng)速度會(huì)快得多。進(jìn)一步分析后，他們開發(fā)出一種簡(jiǎn)單模型，可以預(yù)測(cè)不同參數(shù)（氣壓、溫度等）下石墨烯的生長(zhǎng)速度。

他們對(duì)現(xiàn)有CVD系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，生產(chǎn)出的石墨烯質(zhì)量非常高，與膠帶“撕”出的石墨烯幾乎相同，在磁場(chǎng)中顯示出分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。