研究人員利用一氧化碳廉價生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯

化學(xué)氣相沉積（CVD）是合成石墨烯的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，石墨烯是由碳原子以蜂窩狀排列組成的一原子厚的薄片，具有無與倫比的特性，可用于電子應(yīng)用等方面。CVD通常涉及碳原子脫離氣體分子，并在真空室中以單層形式沉淀在基材上。銅是一種流行的基材，使用的氣體一直是碳?xì)浠衔铮杭淄椤⒈椤⒁胰病⒘揖频取?/p>

“用一氧化碳合成石墨烯的想法很久以前就有了，因?yàn)檫@種氣體是生長單壁碳納米管最方便的碳源之一。我們對一氧化碳有近20年的工作經(jīng)驗(yàn)。然而，我們第一次使用石墨烯的實(shí)驗(yàn)并不成功，我們花了很長時間才了解如何控制石墨烯的成核和生長。”該研究的主要研究者，Skoltech教授Albert Nasibulin說：“一氧化碳的魅力在于其完全的催化分解，這使我們即使在環(huán)境壓力下也能實(shí)現(xiàn)單層石墨烯大晶體的自限性合成。”

“這個項(xiàng)目是基礎(chǔ)研究如何惠及應(yīng)用技術(shù)的杰出例子之一。”論文的共同作者，Skoltech公司的高級研究科學(xué)家Dmitry Krasnikov強(qiáng)調(diào)說：“由于理解了理論和實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證的石墨烯形成和生長的深層動力學(xué)機(jī)制，導(dǎo)致形成大型石墨烯晶體的優(yōu)化條件變得可行。”

這種新方法得益于所謂的自我限制原則。在高溫下，一氧化碳分子在靠近銅基底時往往會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，并將氣體與基底分開，這種趨勢就會消退，所以這個過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。

“我們使用的系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)。所得的石墨烯更純，生長更快，形成的晶體也更好。此外，這種調(diào)整通過在過程中完全消除氫氣和其他爆炸性氣體來防止事故，”該研究的第一作者，Skoltech實(shí)習(xí)生Artem Grebenko說。

該方法排除了燃燒風(fēng)險的事實(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)備簡單得多。簡化的設(shè)計(jì)反過來導(dǎo)致了更快的合成。Grebenko說：“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，而且還變得更便宜。研究人員強(qiáng)調(diào)說：“一旦你放棄了產(chǎn)生超高真空的高端硬件，你實(shí)際上可以用不超過1000美元的價格組裝我們的‘車庫解決方案’。”

研究的共同作者、MIPT的教授Boris Gorshunov強(qiáng)調(diào)了所產(chǎn)生材料的高質(zhì)量。“每當(dāng)一種新的石墨烯合成技術(shù)被提出時，研究人員必須證明它能產(chǎn)生他們聲稱的效果。經(jīng)過嚴(yán)格的測試，我們可以自信地說，我們的石墨烯確實(shí)是高等級的，可以與通過CVD由其他氣體生產(chǎn)的材料競爭。所產(chǎn)生的材料是結(jié)晶的、純的，而且有足夠大的碎片，可用于電子產(chǎn)品。”

除了石墨烯本身的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用外，還有耐人尋味的可能性，即在不清除金屬的情況下使用綁定在銅基上的石墨烯。與甲烷相比，一氧化碳對金屬有非常高的粘附能量。這意味著，隨著沉積的發(fā)生，石墨烯既能保護(hù)銅層免受化學(xué)反應(yīng)的影響，又能賦予其結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出一個高度發(fā)達(dá)的金屬表面，具有極大的催化性能。其他一些金屬，如釕和鈀，也會在這種情況下發(fā)揮作用，為具有不尋常表面的新型材料開辟一條途徑。