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重磅:大面积单晶石墨烯将实现CVD连续量产!
点击次数:236  更新时间:2018-03-13  【打印此页】  【关闭
2018-03-13 晴天 纳米人

第一作者:Ivan V. Vlassiouk

通讯作者:Ivan V. Vlassiouk、Boris I. Yakobson、Sergei N. Smirnov

第一单位:橡树岭国家实验室(美国)

 

自从2004年,Novoselov和Geim首次实现单层石墨烯的剥离以来,这种奇异的二维纳米材料就注定要在人类历史上划上浓妆重彩的一笔。

 

要想实现商业化,第一步就是批量合成,而且是高品质的、低成本的批量合成。最早的透明胶带法,肯定只能放在博物馆作展览之用了。目前最容易实现高品质大面积单晶石墨烯的生长策略,首选还是CVD(化学气相沉积法)。

 

图1. 首次剥离石墨烯的胶带

 

CVD生长主要依靠前驱碳氢化合物气体(甲烷、乙烷等)裂解产生碳原子,并在合适的基底表面生长得到石墨烯。一般来说,大面积单晶石墨烯的制备,往往需要高品质的单晶作为基底材料,然后进行外延异质生长。

 

譬如在适当的高温情况下,使Cu基底表面形成Cu(111)单晶表面,然后进行外延异质生长;或者控制单点成核结晶,从而得到高品质石墨烯。这些方法或多或少都存在一些问题,不是重复性不够好,就是高品质单晶基底难求。

 

图2. CVD制石墨烯常规示意图

 

因此,如何通过CVD实现单晶石墨烯的批量合成,是摆在石墨烯规模化应用面前的最大阻碍!

 

有鉴于此,美国橡树岭国家实验室Ivan V. Vlassiouk与莱斯大学Boris I. Yakobson、新墨西哥州立大学Sergei N. Smirnov等团队合作,开发了一种连续量产大面积单晶石墨烯的CVD制备技术。


图3. 进化选择生长原理

 

该技术采用的基本生长原理被称之为“进化选择生长”(Evolutionary selection growth)。也就是说,生长最快的晶粒将取代生长较慢的晶粒,生长慢的晶粒将逐步消失,最终生长最快的晶粒占据主导地位,得到高品质的单晶石墨烯。

 

基于该原理,研究人员发展了一种易于拓展成卷对卷形式的CVD量产装置:H2/Ar混合气体正常通入炉内,CH4/Ar混合前驱气体以小尺寸喷嘴的形式对准Cu/Ni基底,整体温度保持在1000℃以上。基底以1-2 cm s-1的速度均匀移动。

 

图4. CVD装置和实验结果

 

其中,Ni起到增强催化活性的作用。CH4/Ar混合前驱气体单独以小喷嘴的形式加入,是为了减少成核位点。1000℃的高温则是为了使碳原子更快速地、源源不断的补充到生长过程中,避免生成新的晶核。

 

由此,研究人员实现了人体脚掌大小的单晶石墨烯薄膜的制备,值得一提的是,该技术对生长基底质量要求不高。通过设备优化,甚至还可以实现米级单晶石墨烯薄膜的连续化CVD控制制备。

 

图5. 石墨烯单晶取向

 

总之,这项技术为高品质单晶石墨烯以及其他非石墨烯二维材料的批量生产提供了全新的思路,为包括石墨烯在内的二维材料的广泛应用打下了坚实的基础!