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新工藝?yán)肅O生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯 成本更低生產(chǎn)更快
發(fā)布時(shí)間：
2022-05-30
? ? ? ? ? ? ? ?俄羅斯研究人員提出了首個(gè)以一氧化碳為碳源的石墨烯合成技術(shù)。這是一種快速、廉價(jià)的生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯的方法，設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，可用于電子電路、氣體傳感器、光學(xué)等領(lǐng)域。這項(xiàng)研究由來(lái)自斯科爾科沃科技（Skoltech）、莫斯科物理技術(shù)學(xué)院（MIPT）、俄羅斯科學(xué)院固體物理研究所、阿爾托大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們進(jìn)行。研究成果已在著名的《先進(jìn)科學(xué)》雜志上發(fā)表。 ? ? ? ?化學(xué)氣相沉積（CVD）是合成石墨烯的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，石墨烯是一種蜂窩排列的單原子厚的碳原子片，具有無(wú)與倫比的性能，可用于電子應(yīng)用等。CVD通常涉及碳原子從氣體分子中分離出來(lái)，在真空室中以單分子層的形式沉積在基材上。銅是一種常用的基底，而所用的氣體一直是碳?xì)浠衔铮杭淄椤⒈椤⒁胰病⒘揖频取！皬囊谎趸贾泻铣墒┑南敕ê芫靡郧熬陀辛耍驗(yàn)橐谎趸际巧L(zhǎng)單壁碳納米管最方便的碳源之一。我們有近20年的一氧化碳工作經(jīng)驗(yàn)。然而，石墨烯的第一次實(shí)驗(yàn)并不成功，我們花了很長(zhǎng)時(shí)間才了解如何控制石墨烯的成核和生長(zhǎng)。一氧化碳的美妙之處在于完全的催化分解，這使我們能夠在環(huán)境壓力下實(shí)現(xiàn)單層石墨烯大晶體的自限性合成。”該研究的首席研究員，Skoltech教授Albert Nasibulin說(shuō)。 “這個(gè)項(xiàng)目是基礎(chǔ)研究如何使應(yīng)用技術(shù)受益的杰出例子之一。由于對(duì)石墨烯形成和生長(zhǎng)的深層動(dòng)力學(xué)機(jī)制的理解得到了理論和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，導(dǎo)致大石墨烯晶體形成的優(yōu)化條件變得可行，”該論文的合著者，Skoltech的高級(jí)研究科學(xué)家Dmitry Krasnikov強(qiáng)調(diào)。 據(jù)悉，這種新方法得益于所謂的自我限制原則。在高溫下，當(dāng)一氧化碳分子接近銅基體時(shí)，它們傾向于分解成碳原子和氧原子。然而，一旦第一層結(jié)晶碳沉積下來(lái)，并將氣體與基底分開，這種趨勢(shì)就會(huì)消退，所以這個(gè)過(guò)程自然有利于單層的形成。基于甲烷的CVD也可以以自我限制的方式運(yùn)作，但程度較輕。 該研究論文的第一作者、Skoltech的Artem Grebenko說(shuō)，“我們使用的系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)：得到的石墨烯更純，生長(zhǎng)更快，形成更好的晶體。此外，通過(guò)將氫氣和其他爆炸性氣體完全排除在生產(chǎn)過(guò)程中，這種改進(jìn)可以防止事故的發(fā)生。” 該方法排除了燃燒風(fēng)險(xiǎn)的事實(shí)意味著不需要真空。該設(shè)備在標(biāo)準(zhǔn)壓力下工作，使其比傳統(tǒng)的CVD設(shè)備簡(jiǎn)單得多。簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)反過(guò)來(lái)導(dǎo)致了更快的合成。Grebenko說(shuō)：“從取一塊裸銅到拉出石墨烯，只需要30分鐘。” 由于不再需要真空，設(shè)備不僅工作得更快，而且也變得更便宜。研究人員強(qiáng)調(diào)，“一旦你放棄產(chǎn)生超高真空的高端硬件，你實(shí)際上可以組裝我們的‘車庫(kù)解決方案’，成本不超過(guò)1000美元。” 研究人員還強(qiáng)調(diào)了最終材料的高質(zhì)量：“每當(dāng)一種新的石墨烯合成技術(shù)被提出時(shí)，研究人員必須證明它能產(chǎn)生他們聲稱的效果。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試，我們可以自信地說(shuō)，我們的確實(shí)是高檔石墨烯，可以與其他氣體通過(guò)CVD產(chǎn)生的材料相競(jìng)爭(zhēng)。由此產(chǎn)生的材料是結(jié)晶的、純的，并且可以大到足以用于電子產(chǎn)品.
俄羅斯研究人員提出了首個(gè)以一氧化碳為碳源的石墨烯合成技術(shù)。這是一種快速、廉價(jià)的生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯的方法，設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，可用于電子電路、氣體傳感器、光學(xué)等領(lǐng)域。這項(xiàng)研究由來(lái)自斯科爾科沃科技（Skoltech）、莫斯科物理技術(shù)學(xué)院（MIPT）、俄羅斯科學(xué)院固體物理研究所、阿爾托大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們進(jìn)行。研究成果已在著名的《先進(jìn)科學(xué)》雜志上發(fā)表。
化學(xué)氣相沉積（CVD）是合成石墨烯的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，石墨烯是一種蜂窩排列的單原子厚的碳原子片，具有無(wú)與倫比的性能，可用于電子應(yīng)用等。CVD通常涉及碳原子從氣體分子中分離出來(lái)，在真空室中以單分子層的形式沉積在基材上。銅是一種常用的基底，而所用的氣體一直是碳?xì)浠衔铮杭淄椤⒈椤⒁胰病⒘揖频取?ldquo;從一氧化碳中合成石墨烯的想法很久以前就有了，因?yàn)橐谎趸际巧L(zhǎng)單壁碳納米管最方便的碳源之一。我們有近20年的一氧化碳工作經(jīng)驗(yàn)。然而，石墨烯的第一次實(shí)驗(yàn)并不成功，我們花了很長(zhǎng)時(shí)間才了解如何控制石墨烯的成核和生長(zhǎng)。一氧化碳的美妙之處在于完全的催化分解，這使我們能夠在環(huán)境壓力下實(shí)現(xiàn)單層石墨烯大晶體的自限性合成。”該研究的首席研究員，Skoltech教授Albert Nasibulin說(shuō)。
“這個(gè)項(xiàng)目是基礎(chǔ)研究如何使應(yīng)用技術(shù)受益的杰出例子之一。由于對(duì)石墨烯形成和生長(zhǎng)的深層動(dòng)力學(xué)機(jī)制的理解得到了理論和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，導(dǎo)致大石墨烯晶體形成的優(yōu)化條件變得可行，”該論文的合著者，Skoltech的高級(jí)研究科學(xué)家Dmitry Krasnikov強(qiáng)調(diào)。
據(jù)悉，這種新方法得益于所謂的自我限制原則。在高溫下，當(dāng)一氧化碳分子接近銅基體時(shí)，它們傾向于分解成碳原子和氧原子。然而，一旦第一層結(jié)晶碳沉積下來(lái)，并將氣體與基底分開，這種趨勢(shì)就會(huì)消退，所以這個(gè)過(guò)程自然有利于單層的形成。基于甲烷的CVD也可以以自我限制的方式運(yùn)作，但程度較輕。
該研究論文的第一作者、Skoltech的Artem Grebenko說(shuō)，“我們使用的系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)：得到的石墨烯更純，生長(zhǎng)更快，形成更好的晶體。此外，通過(guò)將氫氣和其他爆炸性氣體完全排除在生產(chǎn)過(guò)程中，這種改進(jìn)可以防止事故的發(fā)生。”
該方法排除了燃燒風(fēng)險(xiǎn)的事實(shí)意味著不需要真空。該設(shè)備在標(biāo)準(zhǔn)壓力下工作，使其比傳統(tǒng)的CVD設(shè)備簡(jiǎn)單得多。簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)反過(guò)來(lái)導(dǎo)致了更快的合成。Grebenko說(shuō)：“從取一塊裸銅到拉出石墨烯，只需要30分鐘。”
由于不再需要真空，設(shè)備不僅工作得更快，而且也變得更便宜。研究人員強(qiáng)調(diào)，“一旦你放棄產(chǎn)生超高真空的高端硬件，你實(shí)際上可以組裝我們的‘車庫(kù)解決方案’，成本不超過(guò)1000美元。”
研究人員還強(qiáng)調(diào)了最終材料的高質(zhì)量：“每當(dāng)一種新的石墨烯合成技術(shù)被提出時(shí)，研究人員必須證明它能產(chǎn)生他們聲稱的效果。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試，我們可以自信地說(shuō)，我們的確實(shí)是高檔石墨烯，可以與其他氣體通過(guò)CVD產(chǎn)生的材料相競(jìng)爭(zhēng)。由此產(chǎn)生的材料是結(jié)晶的、純的，并且可以大到足以用于電子產(chǎn)品.
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