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研究人员利用一氧化碳廉价生产高质量石墨烯

2022-05-17 来源:cnbeta

研究人员提出了第一个利用一氧化碳作为碳源的石墨烯合成技术。这是一种快速和廉价的方法,可以用相对简单的设备生产高质量的石墨烯,用于电子电路、气体传感器、光学等领域。这项研究由来自斯科尔科沃科技学院(Skoltech)、莫斯科物理技术学院(MIPT)、俄罗斯科学院固体物理研究所、阿尔托大学和其他机构的科学家们进行。该研究已在著名的《先进科学》杂志上发表。


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化学气相沉积(CVD)是合成石墨烯的标准技术,石墨烯是由碳原子以蜂窝状排列组成的一原子厚的薄片,具有无与伦比的特性,可用于电子应用等方面。CVD通常涉及碳原子脱离气体分子,并在真空室中以单层形式沉淀在基材上。铜是一种流行的基材,使用的气体一直是碳氢化合物:甲烷、丙烷、乙炔、烈酒等。


“用一氧化碳合成石墨烯的想法很久以前就有了,因为这种气体是生长单壁碳纳米管最方便的碳源之一。我们对一氧化碳有近20年的工作经验。然而,我们第一次使用石墨烯的实验并不成功,我们花了很长时间才了解如何控制石墨烯的成核和生长。”该研究的主要研究者,Skoltech教授Albert Nasibulin说:“一氧化碳的魅力在于其完全的催化分解,这使我们即使在环境压力下也能实现单层石墨烯大晶体的自限性合成。”


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“这个项目是基础研究如何惠及应用技术的杰出例子之一。”论文的共同作者,Skoltech公司的高级研究科学家Dmitry Krasnikov强调说:“由于理解了理论和实验所验证的石墨烯形成和生长的深层动力学机制,导致形成大型石墨烯晶体的优化条件变得可行。”


这种新方法得益于所谓的自我限制原则。在高温下,一氧化碳分子在靠近铜基底时往往会分解成碳原子和氧原子。然而,一旦第一层结晶碳沉积下来,并将气体与基底分开,这种趋势就会消退,所以这个过程自然有利于单层的形成。基于甲烷的CVD也可以以自我限制的方式运作,但程度较轻。


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“我们使用的系统有很多优点。所得的石墨烯更纯,生长更快,形成的晶体也更好。此外,这种调整通过在过程中完全消除氢气和其他爆炸性气体来防止事故,”该研究的第一作者,Skoltech实习生Artem Grebenko说。


该方法排除了燃烧风险的事实意味着不需要真空。该设备在标准压力下工作,使其比传统的CVD设备简单得多。简化的设计反过来导致了更快的合成。Grebenko说:“从取一块裸铜到拉出石墨烯,只需要30分钟。”


由于不再需要真空,设备不仅工作得更快,而且还变得更便宜。研究人员强调说:“一旦你放弃了产生超高真空的高端硬件,你实际上可以用不超过1000美元的价格组装我们的‘车库解决方案’。”


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研究的共同作者、MIPT的教授Boris Gorshunov强调了所产生材料的高质量。“每当一种新的石墨烯合成技术被提出时,研究人员必须证明它能产生他们声称的效果。经过严格的测试,我们可以自信地说,我们的石墨烯确实是高等级的,可以与通过CVD由其他气体生产的材料竞争。所产生的材料是结晶的、纯的,而且有足够大的碎片,可用于电子产品。”


除了石墨烯本身的标准应用外,还有耐人寻味的可能性,即在不清除金属的情况下使用绑定在铜基上的石墨烯。与甲烷相比,一氧化碳对金属有非常高的粘附能量。这意味着,随着沉积的发生,石墨烯既能保护铜层免受化学反应的影响,又能赋予其结构,创造出一个高度发达的金属表面,具有极大的催化性能。其他一些金属,如钌和钯,也会在这种情况下发挥作用,为具有不寻常表面的新型材料开辟一条途径。


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