涂有石墨烯的銅基板。左：銅表面處理;右：石墨烯層開始形成。上面為光學(xué)顯微鏡圖像，下面為掃描電子顯微鏡圖像。 麻省理工(MIT)和密歇根大學(xué)(University of Michigan)的工程師開發(fā)出了一種新型的可用于商業(yè)化生產(chǎn)石墨烯及其他2D材料的工藝。
石墨烯在柔性光源、可集成玻璃的太陽能板、用于淡化及純化水的膜等方面有著重要的作用。但所有這些應(yīng)用都面臨著一個同樣的大問題：石墨烯薄膜規(guī)?；⒂行С杀镜倪B續(xù)生產(chǎn)方法。
本周，MIT和密歇根大學(xué)研究人員在Scientific Reports上發(fā)表的新工藝有望改變這一困境。該論文第一作者、MIT機械工程副教授A. John Hart認為他所在的研究團隊提出的這種新型卷對卷的生產(chǎn)工藝可使石墨烯及其他2D材料應(yīng)用于實際中，“需要以一種重復(fù)的、性價比高的方式來生產(chǎn)。”
現(xiàn)有的方式只能生產(chǎn)少量的石墨烯——利用膠帶從石墨塊上粘膠出石墨烯片，或者使用實驗室熔爐生產(chǎn)郵票大小的石墨烯薄膜。相比于這些方式，該新方法在生產(chǎn)石墨烯的質(zhì)量上有了一個很大的飛躍。但是這種新方法為了確保連續(xù)生產(chǎn)，使用了一種薄金屬箔作為基板，在工業(yè)生產(chǎn)過程中隨著兩個軸平穩(wěn)的相對移動將材料沉積在金屬箔上。最終獲得的片的尺寸收到金屬箔卷軸寬度的限制。
因為連續(xù)的生產(chǎn)過程不需要在固定的真空室內(nèi)對加載和未加載材料進行停止和啟動的操作，這將實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。最終獲得這種具有優(yōu)異電子和光學(xué)性質(zhì)的已知材料中強度最大之一的石墨烯。
(a)卷對卷生產(chǎn)工藝示意圖，銅軸位于生產(chǎn)管的兩端，薄的銅基板帶材纏繞在中心管上。(b)為裝置的剖面圖，化學(xué)氣相沉積過程發(fā)生在兩個管之間的間隙處。(c)為整體系統(tǒng)的實物照片，箭頭表示絲帶的運動方向。(d)為內(nèi)部銅帶材的特寫鏡頭，從上面的孔注入化學(xué)蒸汽。(e)是銅箔通過裝置的俯視圖。 該新工藝采用了MIT及其他地方制備石墨烯使用的化學(xué)氣相沉積方法——使用一個在水平基板(如銅箔)上含有氣相碳反應(yīng)物的小真空室。該新體系采用類似的氣相化學(xué)，但真空室由兩個同心管組成，薄的銅帶材基板平穩(wěn)的滑過內(nèi)管。
氣體通過精確的孔流入管中并釋放，使得基板按順序暴露在兩種混合氣體中。第一個區(qū)域稱之為退火區(qū)，用于制備基板表面;第二個區(qū)域稱為生長區(qū)，即石墨烯在帶材上形成的地方。將真空室加熱至約1000攝氏度進行反應(yīng)。
研究人員設(shè)計并建立了一個實驗室規(guī)模的樣機，發(fā)現(xiàn)帶材以每分鐘25米(即1英尺)的速率通過時，可獲得非常均勻的、高質(zhì)量的單層石墨烯。當(dāng)速度提高20倍時，仍然可以生產(chǎn)出涂層，但石墨烯的質(zhì)量很差，且具有很多缺陷。
在一些應(yīng)用方面(如過濾膜)需要非常高質(zhì)量的石墨烯，但在薄膜加熱器等某些應(yīng)用上，較低質(zhì)量的石墨烯片也能很好的應(yīng)用，MIT當(dāng)代技術(shù)(Contemporary Technology)Mitsui職業(yè)發(fā)展副教授Hart如是說。
到目前為止，新工藝生產(chǎn)的石墨烯“不完全[等于]是可批量生產(chǎn)的最好的”。Hart說，——但是，與其他連續(xù)生產(chǎn)工藝相比，“據(jù)我們所知，至少是一樣好的”。進一步的細節(jié)研究，如去除表面缺陷的處理，可能有助于改善最終石墨烯片的質(zhì)量，他這樣說到。
該小組正在研究這些細節(jié)，Hart補充到，并研究針對特殊應(yīng)用的工藝選擇，比如提高生產(chǎn)效率和石墨烯質(zhì)量之間的權(quán)衡。接著，他說，“下一步是要了解如何達到極限，可以提高10倍速度或者更高。”
Hart說，雖然這項研究集中在石墨烯上，但該機器也可用于連續(xù)生產(chǎn)其他二維材料，甚至是用于生長碳納米管陣列，這些他的團隊都在研究當(dāng)中。
“這項高質(zhì)量的研究代表著大尺寸石墨烯可擴展生產(chǎn)方式的重要里程碑。” 賓夕法尼亞大學(xué)(University of Pennsylvania)物理和天文學(xué)教授Charlie Johnson說，“我認為同心管方法是很有創(chuàng)意的。一旦可以將它擴展到更寬的銅箔上，這將極大的降低石墨烯的生產(chǎn)成本。” Charlie Johnson教授本人并未參與此項研究。
該研究小組的成員還包括密歇根大學(xué)(University of Michigan )的Erik Polsen和Daniel McNerny，麻省理工學(xué)院(MIT)的博士后Viswanath Balakrishnan和Sebastian Pattinson。該研究獲得美國國家科學(xué)基金會(National Science Foundation)和空軍科學(xué)研究辦公室(Air Force Office of Scientific Research)的支持。
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