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新工藝利用CO生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯 成本更低生產(chǎn)更快
發(fā)布時間：
2022-05-30
? ? ? ? ? ? ? ?俄羅斯研究人員提出了首個以一氧化碳為碳源的石墨烯合成技術(shù),。這是一種快速、廉價的生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯的方法,，設(shè)備相對簡單，可用于電子電路,、氣體傳感器,、光學(xué)等領(lǐng)域。這項研究由來自斯科爾科沃科技（Skoltech）,、莫斯科物理技術(shù)學(xué)院（MIPT）,、俄羅斯科學(xué)院固體物理研究所,、阿爾托大學(xué)等機構(gòu)的科學(xué)家們進行。研究成果已在著名的《先進科學(xué)》雜志上發(fā)表,。 ? ? ? ?化學(xué)氣相沉積（CVD）是合成石墨烯的標準技術(shù),，石墨烯是一種蜂窩排列的單原子厚的碳原子片，具有無與倫比的性能,，可用于電子應(yīng)用等,。CVD通常涉及碳原子從氣體分子中分離出來，在真空室中以單分子層的形式沉積在基材上,。銅是一種常用的基底，而所用的氣體一直是碳氫化合物：甲烷,、丙烷,、乙炔、烈酒等,?！皬囊谎趸贾泻铣墒┑南敕ê芫靡郧熬陀辛耍驗橐谎趸际巧L單壁碳納米管最方便的碳源之一,。我們有近20年的一氧化碳工作經(jīng)驗,。然而，石墨烯的第一次實驗并不成功,，我們花了很長時間才了解如何控制石墨烯的成核和生長,。一氧化碳的美妙之處在于完全的催化分解，這使我們能夠在環(huán)境壓力下實現(xiàn)單層石墨烯大晶體的自限性合成,?！痹撗芯康氖紫芯繂T，Skoltech教授Albert Nasibulin說,。 “這個項目是基礎(chǔ)研究如何使應(yīng)用技術(shù)受益的杰出例子之一,。由于對石墨烯形成和生長的深層動力學(xué)機制的理解得到了理論和實驗的驗證，導(dǎo)致大石墨烯晶體形成的優(yōu)化條件變得可行,，”該論文的合著者,，Skoltech的高級研究科學(xué)家Dmitry Krasnikov強調(diào)。 據(jù)悉,，這種新方法得益于所謂的自我限制原則,。在高溫下，當一氧化碳分子接近銅基體時,，它們傾向于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?；诩淄榈腃VD也可以以自我限制的方式運作,，但程度較輕。 該研究論文的第一作者,、Skoltech的Artem Grebenko說,，“我們使用的系統(tǒng)有許多優(yōu)點：得到的石墨烯更純，生長更快,，形成更好的晶體。此外,，通過將氫氣和其他爆炸性氣體完全排除在生產(chǎn)過程中,，這種改進可以防止事故的發(fā)生?！? 該方法排除了燃燒風(fēng)險的事實意味著不需要真空,。該設(shè)備在標準壓力下工作，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,，而且也變得更便宜,。研究人員強調(diào)，“一旦你放棄產(chǎn)生超高真空的高端硬件,，你實際上可以組裝我們的‘車庫解決方案’,，成本不超過1000美元?！? 研究人員還強調(diào)了最終材料的高質(zhì)量：“每當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)過嚴格的測試,，我們可以自信地說,，我們的確實是高檔石墨烯，可以與其他氣體通過CVD產(chǎn)生的材料相競爭。由此產(chǎn)生的材料是結(jié)晶的,、純的,，并且可以大到足以用于電子產(chǎn)品.
俄羅斯研究人員提出了首個以一氧化碳為碳源的石墨烯合成技術(shù)。這是一種快速,、廉價的生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯的方法,，設(shè)備相對簡單，可用于電子電路,、氣體傳感器,、光學(xué)等領(lǐng)域。這項研究由來自斯科爾科沃科技（Skoltech）,、莫斯科物理技術(shù)學(xué)院（MIPT）,、俄羅斯科學(xué)院固體物理研究所、阿爾托大學(xué)等機構(gòu)的科學(xué)家們進行,。研究成果已在著名的《先進科學(xué)》雜志上發(fā)表,。
化學(xué)氣相沉積（CVD）是合成石墨烯的標準技術(shù),，石墨烯是一種蜂窩排列的單原子厚的碳原子片,，具有無與倫比的性能，可用于電子應(yīng)用等,。CVD通常涉及碳原子從氣體分子中分離出來,，在真空室中以單分子層的形式沉積在基材上,。銅是一種常用的基底,，而所用的氣體一直是碳氫化合物：甲烷、丙烷,、乙炔,、烈酒等。“從一氧化碳中合成石墨烯的想法很久以前就有了,，因為一氧化碳是生長單壁碳納米管最方便的碳源之一。我們有近20年的一氧化碳工作經(jīng)驗,。然而,，石墨烯的第一次實驗并不成功,，我們花了很長時間才了解如何控制石墨烯的成核和生長,。一氧化碳的美妙之處在于完全的催化分解，這使我們能夠在環(huán)境壓力下實現(xiàn)單層石墨烯大晶體的自限性合成,。”該研究的首席研究員,，Skoltech教授Albert Nasibulin說。
“這個項目是基礎(chǔ)研究如何使應(yīng)用技術(shù)受益的杰出例子之一。由于對石墨烯形成和生長的深層動力學(xué)機制的理解得到了理論和實驗的驗證,，導(dǎo)致大石墨烯晶體形成的優(yōu)化條件變得可行,，”該論文的合著者，Skoltech的高級研究科學(xué)家Dmitry Krasnikov強調(diào),。
據(jù)悉,，這種新方法得益于所謂的自我限制原則。在高溫下,，當一氧化碳分子接近銅基體時,，它們傾向于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作,，但程度較輕,。
該研究論文的第一作者、Skoltech的Artem Grebenko說,，“我們使用的系統(tǒng)有許多優(yōu)點：得到的石墨烯更純,，生長更快，形成更好的晶體,。此外,，通過將氫氣和其他爆炸性氣體完全排除在生產(chǎn)過程中，這種改進可以防止事故的發(fā)生,。”
該方法排除了燃燒風(fēng)險的事實意味著不需要真空,。該設(shè)備在標準壓力下工作，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,，而且也變得更便宜。研究人員強調(diào),，“一旦你放棄產(chǎn)生超高真空的高端硬件,，你實際上可以組裝我們的‘車庫解決方案’，成本不超過1000美元。”
研究人員還強調(diào)了最終材料的高質(zhì)量：“每當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)過嚴格的測試，我們可以自信地說,，我們的確實是高檔石墨烯,，可以與其他氣體通過CVD產(chǎn)生的材料相競爭。由此產(chǎn)生的材料是結(jié)晶的,、純的,，并且可以大到足以用于電子產(chǎn)品.
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