高品質石墨烯制備技術獲突破 石墨烯產業化將加速

石墨烯的制備一直是阻礙石墨烯產業化的決定性因素。目前現有的制備方法不是獲得石墨烯尺寸太小、難以實現量產,就是工藝復雜、所得石墨烯品質不高。而美國研究人員再一次偶然實驗中,通過簡單方法即獲得大面積高品質石墨烯,這讓石墨烯產業化進程有望加速。
美國加州理工學院(California Institute of Technology,簡稱Caltech)的研究人員開發出了室溫下只需5分鐘就能在銅(Cu)箔上形成幾厘米見方高品質石墨烯的技術,并在學術雜志“Nature Communications”上發表了論文。這項技術可能會給太陽能電池、顯示器的透明電極、燃料電池的氫離子滲透膜、高品質隔離膜以及柔性電子整體帶來很大的影響。
此前主要有兩種方法可以獲得高品質的石墨烯。一種是將膠帶貼在石墨上再揭下來,從而將石墨烯剝下來的“機械剝離法”。不過,這種方法難以實現量產,所獲得的石墨烯尺寸較小,直徑還不到1mm。
另一種方法是化學氣相沉積(CVD)法,具體是將銅箔加熱至1000℃左右,向其中加入甲烷(CH4)等碳源后形成石墨烯。這種方法雖然能夠獲得直徑在1cm左右的高品質石墨烯,但需要高溫且復雜的工藝,而且需要花費約10個小時。
此次的技術是CVD法的一種,工藝溫度為室溫,而且只需約5分鐘就能形成幾厘米見方的高品質石墨烯。具體方法是首先用氫等離子體來清潔銅箔的表面。然后,向其中加入碳源。
由此獲得的石墨烯面積大、而且缺陷非常少,其載流子遷移率在合成制作的石墨烯中屬于最高水平。
此次技術能夠獲得高品質石墨烯的理由主要有三個。第一個理由是由氫等離子體將銅箔上的氧化銅還原并去除掉。據Caltech科研人員(Staff Scientist)David Boyd介紹,因實驗差錯在過度加熱的銅箔上形成了高品質的石墨烯,由此才發現了此次的工藝。
第二個理由是氫等離子體與CVD真空腔內殘留的氮氣發生反應,形成了化學活性較高的分子——氰自由基(Cyano Radical),可以徹底地清潔銅箔。
第三個理由是由于采用室溫工藝,銅箔沒有出現膨脹收縮。如果是采用高溫工藝的CVD法,在降溫過程中,銅箔以及配備銅箔的基板無可避免地會出現收縮。此時,好不容易形成的高品質石墨烯也會出現缺陷。一直采用室溫的話,就不會出現這些問題。
~目前現有的制備方法不是獲得石墨烯尺寸太小、難以實現量產,就是工藝復雜、所得石墨烯品質不高。而美國研究人員再一次偶然實驗中,通過簡單方法即獲得大面積高品質石墨烯,這讓石墨烯產業化進程有望加速。美國加州理工學院(California Institute of Technology,簡稱Caltech)的研究人員開發出了室溫下只需5分鐘就能在銅(Cu)箔上形成幾厘米見方高品質石墨烯的技術,并在學術雜志“Nature Communications”上發表了論文。這項技術可能會給太陽能電池、顯示器的透明電極、燃料電池的氫離子滲透膜、高品質隔離膜以及柔性電子整體帶來很大的影響。
此前主要有兩種方法可以獲得高品質的石墨烯。一種是將膠帶貼在石墨上再揭下來,從而將石墨烯剝下來的“機械剝離法”。不過,這種方法難以實現量產,所獲得的石墨烯尺寸較小,直徑還不到1mm。
另一種方法是化學氣相沉積(CVD)法,具體是將銅箔加熱至1000℃左右,向其中加入甲烷(CH4)等碳源后形成石墨烯。這種方法雖然能夠獲得直徑在1cm左右的高品質石墨烯,但需要高溫且復雜的工藝,而且需要花費約10個小時。
此次的技術是CVD法的一種,工藝溫度為室溫,而且只需約5分鐘就能形成幾厘米見方的高品質石墨烯。具體方法是首先用氫等離子體來清潔銅箔的表面。然后,向其中加入碳源。
由此獲得的石墨烯面積大、而且缺陷非常少,其載流子遷移率在合成制作的石墨烯中屬于最高水平。
此次技術能夠獲得高品質石墨烯的理由主要有三個。第一個理由是由氫等離子體將銅箔上的氧化銅還原并去除掉。據Caltech科研人員(Staff Scientist)David Boyd介紹,因實驗差錯在過度加熱的銅箔上形成了高品質的石墨烯,由此才發現了此次的工藝。
第二個理由是氫等離子體與CVD真空腔內殘留的氮氣發生反應,形成了化學活性較高的分子——氰自由基(Cyano Radical),可以徹底地清潔銅箔。
第三個理由是由于采用室溫工藝,銅箔沒有出現膨脹收縮。如果是采用高溫工藝的CVD法,在降溫過程中,銅箔以及配備銅箔的基板無可避免地會出現收縮。此時,好不容易形成的高品質石墨烯也會出現缺陷。一直采用室溫的話,就不會出現這些問題。


