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优化石墨烯生长过程——更快!更精确!更稳定!_业内资讯_业界资讯__复合材料信息网

浏览: 作者: 来源: 时间:2021-01-15 分类:
  石墨烯因每个原子层薄,抗撕裂,且比较稳定,所以被视为理想的未来材料。可用于生产超轻电子产品或高度稳定的机械部件。但是这种薄碳层难以生产。慕尼黑工业大学(TUM)的Jürgen Kraus制造出了自支撑石墨烯薄膜,同时对石墨烯晶体的生长进行了系统的研究和优化。
  石墨烯这一材料打破了所有记录。它是世界上最薄且最稳定的材料,材质超轻,防撕裂,具有良好的导电性和高的弹性。自2004年被研究人员发现以来,由碳原子构成的二维结构已经激起了人们的想象力和创造精神。科幻作家认为其适用于制造电缆以驱动太空电梯。材料研究人员正在尝试实验石墨烯显示器、晶体管和电极,这也就意味着未来电子产品将更轻,更稳定,寿命更长。在科学界,人们非常渴望得到高纯度石墨烯的薄膜,因为石墨烯薄膜能以超密集的方式包装气体和液体。
  慕尼黑工业大学物理化学教授Sebastian Günther解释说:“然而,目前还缺乏一些基本要求。现在已有多种制造工艺适用于石墨烯的批量生产,但是这种材料并不是没有缺陷的。结晶质量最高的石墨烯就不能以这种方式重复制造。”他的团队现在已经通过化学气相沉积(简称CVD)成功地分析,监测和优化了石墨烯晶体的生长。这些研究成果最近发表在了物理学年报的物理学年鉴中。
  实践过程中的理论和注意事项
  从理论上来说,生产石墨烯是非常容易的:其所需要的是一个加热的玻璃容器,该反应器中含有诸如甲烷的含碳气体以及作为催化剂的铜。在约1000摄氏度的温度下,甲烷在铜表面分解产生氢和碳。当氢随后离开铜表面时,碳原子从气态被收集在该化学沉淀期间所使用的铜膜表面上——这也就是被称为化学气相沉积的工艺。这里,原子交联并形成石墨烯“薄片”,具有典型蜂窝结构的点状二维结构。剩下的就是氢,可以通过抽吸来提取。
  然而,在实践中,细节上会有点意想不到的问题。操作实验的Jürgen Kraus解释说:“最大的问题就是二维晶体结构通常不是完全均匀的,因为在多个位置晶体会同时开始生长。乍一看,似乎在铜上出现了一个连续的石墨烯薄膜,但是六边形蜂窝并不都是以相同的方式定向生长的,并且这种结构在它们相遇的地方被削弱了。”
  可以通过确保铜的表面尽可能不含结晶核来避免产生这种缺陷。
  通过他的实验,化学家能够证明污染物可以借助氧气(即通过氧化)去除,并且效果最佳。然而,为了避免不想看到的副作用,必须注意确保铜催化剂尽可能少的接触氧气。
  成功的关键:气体浓度和温度
  在他实验的第二部分,Kraus分析了各种分压和温度如何影响化学气相沉积期间石墨烯的形成。如果使用的气体中含有太多的氢气,石墨烯根本就不会生长; 如果氢气太少,则石墨烯层会变得太厚。只有当选择的所有参数使得生长“足够接近”到热平衡时,才能在晶格中形成没有缺陷的高纯度石墨烯。
  在意大利进行质量检查
  为了验证薄片的质量,慕尼黑的研究人员带着样品前往意大利。在配备有环形粒子加速器的研究中心Elettra Sincrotrone Trieste,他们能够通过特殊的显微镜在化学和结构层面上表征石墨烯层,由于具有高能量的同步辐射,该显微镜具有高的分辨率。
  Günther说:“可行性研究的结果非常令人鼓舞,图像显示可以通过在化学气相沉积期间选择参数来获得可重现的结果。”
  慕尼黑工业大学的研究人员迄今为止得到石墨烯薄膜质量最好的记录是:石墨烯片大小是一平方毫米,含有十亿个精确对齐的碳原子。Günther总结说:“与其他研究相比,优势并不在于”薄片大小“的实现,而在于如果选择合适的CVD参数,则薄片能以可预测的增长率形成,从而允许封闭的高结晶石墨烯层形成一个原子的厚度只需要在几个小时内完成。
  迷你薄片的新应用
  石墨烯的研究带来了广泛的新应用,尤其是在基础研究中:一种是超薄石墨烯薄膜,从铜基板上去除并用作覆盖膜。这种膜适合于将液体限制在容器中。因为这些薄膜对于慢电子来说是透明的,所以可以通过电子光谱和显微镜研究样品,即使这些技术通常用于超高真空或高真空中。
  在薄膜的帮助下,研究人员未来还打算在高压下通过光电子能谱研究活细胞,液体电极和催化剂。在该过程中,能够穿透膜的光子将其能量转移到样品中的电子,使得它们被释放并通过膜到达外部。然后,他们的能量水平可用于得出关于样品的化学成分的结论。
  Jürgen Kraus也因他的这项工作获得了维也克研究奖。
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