（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）加利福尼亞理工學(xué)院資深科學(xué)家研究人員發(fā)明了一種在室溫下制備石墨烯的技術(shù)，為石墨烯太陽能電池、發(fā)光二極管、大屏幕顯示器和柔性電子學(xué)等領(lǐng)域的商業(yè)化鋪平了道路。
這是石墨烯在銅表面生長的早期圖片。圖中的六邊形為石墨烯的原子核。從左至右，圖的放大率依次增大，比例尺分別為10μm;m,1μm;m,以及200nm。這些六邊形緊密排列從而形成石墨烯片。 博伊德以第一作者的身份在3月18日的《NatureCommunications》雜志上發(fā)表了一篇相關(guān)論文，討論了這項新技術(shù)的實施過程及其賦予石墨烯的新性質(zhì)。"有了這項新技術(shù)，我們就可以在極低的溫度下快速制備出大片的電子級石墨烯。"該項技術(shù)的研發(fā)人、加利福尼亞理工學(xué)院資深科學(xué)家戴維博伊德(DavidBoyd)說道。
石墨烯所具有的許多獨特的性質(zhì)，為工程和科學(xué)領(lǐng)域帶來了大的變革。比如，它的拉伸強度比鋼鐵強200倍左右，電子遷移率比硅快了2~3倍。一個材料的電子遷移率是衡量電子在其表面遷移速度快慢的標準參數(shù)。
然而，這項技術(shù)的工業(yè)化推廣仍然面臨許多難題?，F(xiàn)在制造石墨烯的技術(shù)需要1800F(1000℃)的高溫——這給把石墨烯的生產(chǎn)整合進現(xiàn)有的電子制造產(chǎn)業(yè)帶來了一定的難度。此外，高溫下石墨烯的生長還會引發(fā)無法控制的較大形變，影響材料的固有屬性。
"此前，人們只能制造出幾個平方毫米大小、電子遷移率較高的石墨烯。這種生產(chǎn)方式不僅要求高溫，實施起來費時且步驟繁瑣。"葉乃裳說道。她是加州理工學(xué)院的物理學(xué)教授、納米科學(xué)研究所名下的弗萊徹瓊斯基金會的主任，同時也是博伊德所發(fā)表論文的通訊作者。她表示："我們的方法只需一步就能生產(chǎn)出具有高電子遷移率而幾乎無內(nèi)部應(yīng)變的石墨烯，且不需高溫條件。我們試制了幾個大小為幾平方厘米的樣品。實驗結(jié)果表明，此法可用于工業(yè)大生產(chǎn)。依此情形，最終我們未來會生產(chǎn)出幾平方英寸，甚至更大的石墨烯片。這項技術(shù)將為石墨烯的工業(yè)化推廣奠定下堅實的基礎(chǔ)。"
博伊德使用了20世紀60年代所發(fā)明的一種用于控制氫等離子體的系統(tǒng)——使氫氣電氣化，從而將其中的電子與氫核分開——以實現(xiàn)在更低的溫度下移除銅表面的銅氧化物。他試驗了幾次就發(fā)現(xiàn)，這項技術(shù)不僅能很好地去除銅氧化物，還能同時促進石墨烯的生長。
起初，博伊德并不理解這項試驗為何如此成功。之后他才發(fā)現(xiàn)，有少量甲烷通過兩個漏氣的閥門滲入實驗箱。"這些閥門中滲入的甲烷量正好是石墨烯生長所需要的量。"他說道。
這種不需加熱的生產(chǎn)方式不僅減少了加工費用，以往的方法中由熱膨脹和收縮所引入的內(nèi)部缺陷也有所改善。"傳統(tǒng)的高溫生長技術(shù)不僅要花費數(shù)十個小時，還需要九到十個不同的步驟，"葉乃裳說道，"而我們的生產(chǎn)技術(shù)只有一步，而這一步只需5分鐘，優(yōu)勢很明顯。"
這種方法生產(chǎn)的石墨烯質(zhì)量也高于傳統(tǒng)方法：新方法生產(chǎn)的石墨烯具有更少的缺陷，因此具有更高的力學(xué)強度;此外，它的電子遷移率達到了目前人工合成石墨烯的最高值。
他們認為，這項技術(shù)成功的關(guān)鍵在于氫等離子與實驗箱中的空氣分子通過化學(xué)反應(yīng)生成了含氰基的C-N自由基——一種脫除了自身電子的分子。這些分子猶如微小的超級刷子，可有效除去銅表面的雜質(zhì)，為石墨烯的生長提供一個純凈的表面。
科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，這項生產(chǎn)技術(shù)可改變石墨烯的生長方式。在傳統(tǒng)的熱工過程中，石墨烯片是通過沉積物的隨機拼湊而成。新技術(shù)生產(chǎn)的石墨烯有序程度更高。石墨烯的沉積物先形成一行，再形成緊密連接的片狀。這樣的石墨烯力學(xué)和電氣性能的完整性也更好。
"對原始的氫等離子體技術(shù)進行改進后，這項技術(shù)將為電子制造業(yè)敞開新的大門。"葉乃裳說道。比如，這種缺陷更少的石墨烯片可使材料免于受外界環(huán)境的影響而降解。此外，我們還可能生產(chǎn)出更大片的石墨烯，并將其用于制造太陽能電池和大屏幕顯示器的透明導(dǎo)電電極等。"在未來，你甚至可能用上自己發(fā)電的石墨烯手機屏。"她補充道。
她還提到了另外一個可能性：通過在石墨烯結(jié)構(gòu)中人為地引入缺陷控制其力學(xué)性能和電學(xué)性能。"如果能夠?qū)崿F(xiàn)石墨烯的納米級拉伸，你就能設(shè)計它的具體性質(zhì)。但是要實現(xiàn)這項工作，你需要一片十分光滑且無內(nèi)部缺陷的石墨烯，"葉乃裳說道，"如果你的石墨烯片上隨處可能存在缺陷，你就無法實現(xiàn)這項工作。"
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