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单晶石墨烯薄膜生产速度提高150倍

时间: 2024-07-13 15:13:14 作者: 带锯机

  科技日报北京8月10日电 (记者王小龙)中国科学家在《自然·纳米技术》杂志上发表论文称,他们在单晶石墨烯制备上取得了一项突破。通过对化学气相沉积法(CVD)的调整和改进,他们将石墨烯薄膜生产的速度提高了150倍。新研究为石墨烯的大规模应用奠定了基础。

  石墨烯是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体材料,在电、光、机械强度上的优异特性,使其在电子学、太阳能电池、传感器等领域有着众多潜在应用。虽然需求巨大,但其制备速度缓慢,利用率一直徘徊在25%左右,成为制约其进入实际应用的瓶颈之一。目前制备高质量石墨烯的方法,除胶带剥离法、碳化硅或金属表面外延生长法外,主要是化学气相沉积法。但通过CVD技术生产单晶石墨烯薄膜仍然需要耗费很长的时间,制备一块厘米见方的单晶石墨烯薄膜至少需要一天的时间,十分缓慢。

  在新的研究中,中国北京大学和香港理工大学的研究人员开发出一种新技术,能将这一过程从每秒0.4微米加速到每秒60微米,速度提升150倍。而其中的诀窍,就是在参与反应的铜箔上直接加入了少许氧气。

  研究人员表示,氧化物基板会在化学气相沉积过程中高达800摄氏度的高温中释放出氧气。氧气的连续供应提高了石墨烯的生长速率。他们通过电子能谱分析证实了这一点,但测量表明,氧气虽然被释放,然而总量很小。研究人员解释说,这可能与氧化物基板与铜箔之间非常狭小的空间产生了俘获效应,来提升了氧气的利用效率有关。在实验中,研究人员能在短短5秒的时间内生产出0.3毫米的单晶石墨烯。

  研究人员称,对石墨烯产业而言,该研究意义重大。通过该技术石墨烯的生产将能采用效率更高的卷对卷制程。而产量的增加和成本的下降,会促进扩大石墨烯的应用限制范围,刺激其需求量的增长。

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  大规模产业化值得期待 “石墨烯主要以石墨烯粉体及石墨烯薄膜两种形式存在。”中国非金属矿工业协会石墨专委会副秘书长刘荣华介绍说,石墨烯粉体通过天然石墨制备,应用于新材料领域和能源领域。新材料领域包括防腐涂料、散热材料、电学材料和功能增强材料等;能源领域包括超级电容器和锂离子电池。石墨烯薄膜通过甲烷制备,应用于电子领域、环境领域和医药领域等。

  “正因如此,美国石墨烯产业化和应用进展都比较快,已形成覆盖从制备及应用研究到石墨烯产品生产、下游应用全环节的石墨烯产业链。”《新材料产业》执行主编刘馨表示。 根据切萨布鲁夫技术生命周期理论,石墨烯产业仍处于技术成长期,且技术演化趋势正由石墨烯制备工艺向具体应用领域转变。“随着研究的深入,石墨烯应用领域将不断拓展,国内石墨烯产业若想寻求突破,还需大力提升科技和产业创新融合能力。

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