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  無(wú)需高溫就能制造石墨烯的新方法  
發(fā)布時(shí)間:2015.05.05
 

無(wú)需高溫就能制造石墨烯的新方法

    這是石墨烯在銅表面生長(zhǎng)的早期圖片。圖中的六邊形為石墨烯的原子核。從左至右,圖的放大率依次增大,比例尺分別為 10μm,1μm, 以及 200nm。這些六邊形緊密排列從而形成石墨烯片。 

    “有了這項(xiàng)新技術(shù),我們就可以在極低的溫度下快速制備出大片的電子級(jí)石墨烯。” 該項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)人、加利福尼亞理工學(xué)院資深科學(xué)家戴維.博伊德(David Boyd )說(shuō)道。 

  博伊德以第一作者的身份在 3 月 18 日的《NatureCommunications》雜志上發(fā)表了一篇相關(guān)論文,討論了這項(xiàng)新技術(shù)的實(shí)施過(guò)程及其賦予石墨烯的新性質(zhì)。 

  石墨烯所具有的許多獨(dú)特的性質(zhì),為工程和科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了大的變革。比如,它的拉伸強(qiáng)度比鋼鐵強(qiáng) 200 倍左右,電子遷移率比硅快了 2~3 倍。一個(gè)材料的電子遷移率是衡量電子在其表面遷移速度快慢的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。 

  然而,這項(xiàng)技術(shù)的工業(yè)化推廣仍然面臨許多難題,F(xiàn)在制造石墨烯的技術(shù)需要 1800 F(1000 ℃)的高溫——這給把石墨烯的生產(chǎn)整合進(jìn)現(xiàn)有的電子制造產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了一定的難度。此外,高溫下石墨烯的生長(zhǎng)還會(huì)引發(fā)無(wú)法控制的較大形變,影響材料的固有屬性。 

  “ 此前,人們只能制造出幾個(gè)平方毫米大小、電子遷移率較高的石墨烯。這種生產(chǎn)方式不僅要求高溫,實(shí)施起來(lái)費(fèi)時(shí)且步驟繁瑣。” 葉乃裳說(shuō)道。她是加州理工學(xué)院的物理學(xué)教授、納米科學(xué)研究所名下的弗萊徹瓊斯基金會(huì)的主任,同時(shí)也是博伊德所發(fā)表論文的通訊作者。她表示:“我們的方法只需一步就能生產(chǎn)出具有高電子遷移率而幾乎無(wú)內(nèi)部應(yīng)變的石墨烯,且不需高溫條件。我們?cè)囍屏藥讉(gè)大小為幾平方厘米的樣品。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,此法可用于工業(yè)大生產(chǎn)。依此情形,最終我們未來(lái)會(huì)生產(chǎn)出幾平方英寸,甚至更大的石墨烯片。這項(xiàng)技術(shù)將為石墨烯的工業(yè)化推廣奠定下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)! 

  這個(gè)新的生產(chǎn)方法是研究人員偶然發(fā)現(xiàn)的。2012 年,博伊德還在已故的大衛(wèi) ? 古德溫的實(shí)驗(yàn)室處工作,而他本人也只是加州理工大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用物理學(xué)系的一名教授,正致力于重復(fù)他在一篇論文中見(jiàn)到的制備石墨烯的方法。這個(gè)實(shí)驗(yàn)使用了燒熱的銅催化石墨烯的生長(zhǎng)。“ 那時(shí)我連吃飯都在想著它。”現(xiàn)在正與葉乃裳的課題組合作的博伊德說(shuō)道,“ 但是盯著食譜我也找不到靈感。這個(gè)過(guò)程看起來(lái)很簡(jiǎn)單。我甚至擁有比初始實(shí)驗(yàn)更先進(jìn)的儀器,所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)我而言本應(yīng)非常簡(jiǎn)單! 

  有一次,他正在重復(fù)實(shí)驗(yàn),電話響了。在他打電話時(shí),他忽略了還在加熱的銅箔——作為石墨烯生長(zhǎng)的基體,在加熱后即應(yīng)將其置于甲烷蒸汽中。 

  當(dāng)博伊德想起這片還未停止加熱的銅箔后,他用拉曼光譜儀——一種用于檢測(cè)、識(shí)別石墨烯的儀器——對(duì)銅箔進(jìn)行了檢查,卻意外發(fā)現(xiàn)石墨烯層已經(jīng)形成了! 這真是令人驚喜的一刻,” 博伊德說(shuō),“ 我那時(shí)才意識(shí)到石墨烯生長(zhǎng)的關(guān)鍵在于一個(gè)干凈的基體表面,一個(gè)沒(méi)有銅氧化物的表面。” 

  博伊德回憶道,他在那一刻突然想起了羅伯特? 米利肯(Robert Millikan),一位諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者,也是 1921~1945 年間加州理工大學(xué)的校長(zhǎng)。1916 年,米利肯為了測(cè)普朗克常數(shù)而進(jìn)行著除去銅氧化物的實(shí)驗(yàn),而普朗克常數(shù)的測(cè)定對(duì)計(jì)算一個(gè)光子(或量子)的能量十分重要。博伊德想道,自己能否像米利肯一 樣,設(shè)計(jì)出一種能在真空下去除銅表面氧化物的方法。 

  博伊德使用了 20 世紀(jì) 60 年代所發(fā)明的一種用于控制氫等離子體的系統(tǒng)——使氫氣電氣化,從而將其中的電子與氫核分開(kāi)——以實(shí)現(xiàn)在更低的溫度下移除銅表面的銅氧化物。他試驗(yàn)了幾次就發(fā)現(xiàn),這項(xiàng)技術(shù)不僅能很好地去除銅氧化物,還能同時(shí)促進(jìn)石墨烯的生長(zhǎng)。 

  起初,博伊德并不理解這項(xiàng)試驗(yàn)為何如此成功。之后他才發(fā)現(xiàn),有少量甲烷通過(guò)兩個(gè)漏氣的閥門滲入實(shí)驗(yàn)箱! 這些閥門中滲入的甲烷量正好是石墨烯生長(zhǎng)所需要的量! 他說(shuō)道。 

  這種不需加熱的生產(chǎn)方式不僅減少了加工費(fèi)用,以往的方法中由熱膨脹和收縮所引入的內(nèi)部缺陷也有所改善! 傳統(tǒng)的高溫生長(zhǎng)技術(shù)不僅要花費(fèi)數(shù)十個(gè)小時(shí),還需要九到十個(gè)不同的步驟,”葉乃裳說(shuō)道,“ 而我們的生產(chǎn)技術(shù)只有一步,而這一步只需 5 分鐘,優(yōu)勢(shì)很明顯。” 

  葉乃裳的團(tuán)隊(duì)與一些國(guó)際學(xué)者合作之后又發(fā)現(xiàn),這種方法生產(chǎn)的石墨烯質(zhì)量也高于傳統(tǒng)方法:新方法生產(chǎn)的石墨烯具有更少的缺陷,因此具有更高的力學(xué)強(qiáng)度;此外,它的電子遷移率達(dá)到了目前人工合成石墨烯的最高值。 

  他們認(rèn)為,這項(xiàng)技術(shù)成功的關(guān)鍵在于氫等離子與實(shí)驗(yàn)箱中的空氣分子通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成了含氰基的 C-N 自由基——一種脫除了自身電子的分子。這些分子猶如微小的超級(jí)刷子,可有效除去銅表面的雜質(zhì),為石墨烯的生長(zhǎng)提供一個(gè)純凈的表面。 

  科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn),這項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)可改變石墨烯的生長(zhǎng)方式。在傳統(tǒng)的熱工過(guò)程中,石墨烯片是通過(guò)沉積物的隨機(jī)拼湊而成。新技術(shù)生產(chǎn)的石墨烯有序程度更高。石墨烯的沉積物先形成一行,再形成緊密連接的片狀。這樣的石墨烯力學(xué)和電氣性能的完整性也更好。 

  “對(duì)原始的氫等離子體技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)后,這項(xiàng)技術(shù)將為電子制造業(yè)敞開(kāi)新的大門。” 葉乃裳說(shuō)道。比如,這種缺陷更少的石墨烯片可使材料免于受外界環(huán)境的影響而降解。此外,我們還可能生產(chǎn)出更大片的石墨烯,并將其用于制造太陽(yáng)能電池和大屏幕顯示器的透明導(dǎo)電電極等。“ 在未來(lái),你甚至可能用上自己發(fā)電的石墨烯手機(jī)屏。” 她補(bǔ)充道。 

  她還提到了另外一個(gè)可能性:通過(guò)在石墨烯結(jié)構(gòu)中人為地引入缺陷控制其力學(xué)性能和電學(xué)性能! 如果能夠?qū)崿F(xiàn)石墨烯的納米級(jí)拉伸,你就能設(shè)計(jì)它的具體性質(zhì)。但是要實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)工作,你需要一片十分光滑且無(wú)內(nèi)部缺陷的石墨烯,” 葉乃裳說(shuō)道,“ 如果你的石墨烯片上隨處可能存在缺陷,你就無(wú)法實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)工作!保▉(lái)源:互聯(lián)網(wǎng))

 

 
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