（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）加利福尼亞理工學(xué)院資深科學(xué)家研究人員發(fā)明了一種在室溫下制備石墨烯的技術(shù)，為石墨烯太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管、大屏幕顯示器和柔性電子學(xué)等領(lǐng)域的商業(yè)化鋪平了道路。
這是石墨烯在銅表面生長(cháng)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;m,1μm;m,以及200nm。這些六邊形緊密排列從而形成石墨烯片。 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，討論了這項新技術(shù)的實(shí)施過(guò)程及其賦予石墨烯的新性質(zhì)。"有了這項新技術(shù)，我們就可以在極低的溫度下快速制備出大片的電子級石墨烯。"該項技術(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(DavidBoyd)說(shuō)道。
石墨烯所具有的許多獨特的性質(zhì)，為工程和科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了大的變革。比如，它的拉伸強度比鋼鐵強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準參數。
然而，這項技術(shù)的工業(yè)化推廣仍然面臨許多難題?，F在制造石墨烯的技術(shù)需要1800F(1000℃)的高溫——這給把石墨烯的生產(chǎn)整合進(jìn)現有的電子制造產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了一定的難度。此外，高溫下石墨烯的生長(cháng)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)內部應變的石墨烯，且不需高溫條件。我們試制了幾個(gè)大小為幾平方厘米的樣品。實(shí)驗結果表明，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。這項技術(shù)將為石墨烯的工業(yè)化推廣奠定下堅實(shí)的基礎。"
博伊德使用了20世紀60年代所發(fā)明的一種用于控制氫等離子體的系統——使氫氣電氣化，從而將其中的電子與氫核分開(kāi)——以實(shí)現在更低的溫度下移除銅表面的銅氧化物。他試驗了幾次就發(fā)現，這項技術(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(cháng)。
起初，博伊德并不理解這項試驗為何如此成功。之后他才發(fā)現，有少量甲烷通過(guò)兩個(gè)漏氣的閥門(mén)滲入實(shí)驗箱。"這些閥門(mén)中滲入的甲烷量正好是石墨烯生長(cháng)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用，以往的方法中由熱膨脹和收縮所引入的內部缺陷也有所改善。"傳統的高溫生長(cháng)技術(shù)不僅要花費數十個(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)勢很明顯。"
這種方法生產(chǎn)的石墨烯質(zhì)量也高于傳統方法：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)強度;此外，它的電子遷移率達到了目前人工合成石墨烯的最高值。
他們認為，這項技術(shù)成功的關(guān)鍵在于氫等離子與實(shí)驗箱中的空氣分子通過(guò)化學(xué)反應生成了含氰基的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刷子，可有效除去銅表面的雜質(zhì)，為石墨烯的生長(cháng)提供一個(gè)純凈的表面。
科學(xué)家們還發(fā)現，這項生產(chǎn)技術(shù)可改變石墨烯的生長(cháng)方式。在傳統的熱工過(guò)程中，石墨烯片是通過(guò)沉積物的隨機拼湊而成。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。
"對原始的氫等離子體技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)后，這項技術(shù)將為電子制造業(yè)敞開(kāi)新的大門(mén)。"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)電的石墨烯手機屏。"她補充道。
她還提到了另外一個(gè)可能性：通過(guò)在石墨烯結構中人為地引入缺陷控制其力學(xué)性能和電學(xué)性能。"如果能夠實(shí)現石墨烯的納米級拉伸，你就能設計它的具體性質(zhì)。但是要實(shí)現這項工作，你需要一片十分光滑且無(wú)內部缺陷的石墨烯，"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)現這項工作。"
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