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新工藝利用CO生產高質量石墨烯 成本更低生產更快
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。這是一種快速、廉價的生產高質量石墨烯的方法，設備相對簡單，可用于電子電路、氣體傳感器、光學等領域。這項研究由來自斯科爾科沃科技（Skoltech）、莫斯科物理技術學院（MIPT）、俄羅斯科學院固體物理研究所、阿爾托大學等機構的科學家們進行。研究成果已在著名的《先進科學》雜志上發(fā)表。 ? ? ? ?化學氣相沉積（CVD）是合成石墨烯的標準技術，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。 “這個項目是基礎研究如何使應用技術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機制的理解得到了理論和實驗的驗證，導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的高級研究科學家Dmitry Krasnikov強調。 據悉，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險的事實意味著不需要真空。該設備在標準壓力下工作，使其比傳統的CVD設備簡單得多。簡化的設計反過來導致了更快的合成。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，設備不僅工作得更快，而且也變得更便宜。研究人員強調，“一旦你放棄產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。” 研究人員還強調了最終材料的高質量：“每當一種新的石墨烯合成技術被提出時，研究人員必須證明它能產生他們聲稱的效果。經過嚴格的測試，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產生的材料相競爭。由此產生的材料是結晶的、純的，并且可以大到足以用于電子產品.
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。這是一種快速、廉價的生產高質量石墨烯的方法，設備相對簡單，可用于電子電路、氣體傳感器、光學等領域。這項研究由來自斯科爾科沃科技（Skoltech）、莫斯科物理技術學院（MIPT）、俄羅斯科學院固體物理研究所、阿爾托大學等機構的科學家們進行。研究成果已在著名的《先進科學》雜志上發(fā)表。
化學氣相沉積（CVD）是合成石墨烯的標準技術，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。
“這個項目是基礎研究如何使應用技術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機制的理解得到了理論和實驗的驗證，導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的高級研究科學家Dmitry Krasnikov強調。
據悉，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險的事實意味著不需要真空。該設備在標準壓力下工作，使其比傳統的CVD設備簡單得多。簡化的設計反過來導致了更快的合成。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，設備不僅工作得更快，而且也變得更便宜。研究人員強調，“一旦你放棄產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。”
研究人員還強調了最終材料的高質量：“每當一種新的石墨烯合成技術被提出時，研究人員必須證明它能產生他們聲稱的效果。經過嚴格的測試，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產生的材料相競爭。由此產生的材料是結晶的、純的，并且可以大到足以用于電子產品.
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