来源:DeepTech深科技
“在无氧环境之下,我们制备的石墨烯创造了质量新高,其能与机械剥离得到的石墨烯质量相媲美,这是石墨烯制备领域的一个里程碑。”电子科技大学本科校友、美国哥伦比亚大学博士生阎行舟表示。
![图 | 阎行舟(来源:阎行舟)](http://n.sinaimg.cn/sinakd20240701s/198/w1080h718/20240701/adca-76d0152b09b18aa7c3d743d538619720.png)
研究中,他和所在团队打通过打造一种可行性方法,来弥合石墨烯质量和可重复性的差距。
目前,课题组已经证明:石墨烯的合成过程对微量氧极其敏感。
在无氧环境中,石墨烯的生长动力学可以通过一个紧凑模型来预测。
通过消除合成环境中的氧含量,可以在单晶铜表面合成这样一种石墨烯:不仅可测量表面没有污染,而且电性能与从块状石墨剥离的本征石墨烯一样好。
对于相关论文,审稿人认为这项工作是石墨烯领域的一次突破,预计这种方法会在短时间内被各个实验室和产业化机构所采用,引领一次新的变革。
在应用前景上:
石墨烯可以作为基础构件,集成到许多应用之中。例如,石墨烯很有潜力充当未来电子设备中的替代金属。
随着晶体管的尺寸越来越小,连接晶体管的更薄互连线也在缩小,但仍会存在一定的上限。不同于铜和金等传统金属,石墨烯在纳米尺度上能够更好地导电。
此外,石墨烯被证明是凝聚态物理研究的理想材料。由于电子在石墨烯中能够以最小的散射,从其原子晶格中移动,因此石墨烯是研究电子-电子相互作用的绝佳平台。
而这些相互作用则会催生凝聚态物理学中的新现象,比如超导性、分数量子霍尔效应等。
因此,大规模地制造石墨烯,可以实现更大的器件尺寸,并有望实现批量的制造,以用于电化学传感和光学传感等应用。
此外,石墨烯还是一种柔性、强韧、透明的二维材料。目前,它已被用于医疗保健和高性能传感应用的可穿戴电子设备中。
另一方面,石墨烯也有潜力充当冷冻透射电子显微镜中的支撑膜,以用于确定蛋白质结构。
![(来源:Nature)](http://n.sinaimg.cn/sinakd20240701s/602/w855h547/20240701/7f79-d25f11849c7a510cfc5cf89d5f512997.png)
![](http://n.sinaimg.cn/sinakd20240701s/64/w750h114/20240701/fbcc-3223bbc60636b8b2b66c7ffcaefdfe92.png)
实现石墨烯的商业规模制备,难在哪里?
据了解,石墨烯是原子级别的最导电的材料,在电子学、光电子学、传感器、半导体制造和基础凝聚态物理研究等多个领域都能发挥作用。
而石墨烯只有一个二维的原子层厚。由于石墨烯的独特结构,让电子在石墨烯中可以像没有重量一样地移动。
此外,石墨烯的电子迁移率是典型金属(铜)的 200 倍。同时,其还具有透明、柔性的特点,是已知的机械性能最强的二维材料。
然而,要想以商业规模来生产高质量的石墨烯,仍然具有一定挑战。
截至目前,要想生产数十微米大小的高质量石墨烯,仍然依赖于“机械剥离”这一方法,即使用胶带将石墨烯从石墨中分离开来。
而上述过程的成功率比较随机,因此用于大规模的生产。
化学气相沉积法,是产业化大规模量产石墨烯的最有前途的方法之一,但其质量一直不如从石墨中机械剥离的石墨烯。
同时,该方法的另一个缺点是缺乏可重复性,这暗示在这种方法之中,可能存在尚未发现的隐藏变量。
而在本次研究之中,阎行舟等人发现:要想制备超高质量的石墨烯,需要在严格的移除生长过程中,加入微量的氧气。
这种要求极为苛刻,需要将制备环境中的氧含量控制在百万分之一以下。
![(来源:Nature)](http://n.sinaimg.cn/sinakd20240701s/484/w696h588/20240701/5aa6-55de6145004ca5b5ac71fdc4aa060687.png)
那么,阎行舟是如何参与并完成本次研究的?
![](http://n.sinaimg.cn/sinakd20240701s/64/w750h114/20240701/6e22-62611c52f064aa4d9fe951dedb1190d2.png)
当然,还有新的挑战在等着阎行舟等人。下一步,课题组将致力于石墨烯的高质量转移。
要知道,石墨烯生长在铜的表面,而要想实现石墨烯的广泛应用,必须将其转移到其他基底上比如硅片。
由于石墨烯的二维特性,导致原子级洁净的转移极其困难,因此他们将探索如何实现石墨烯的高质量转移。目前,相关工作正在进行中。
![参考资料:](http://n.sinaimg.cn/sinakd20240701s/352/w874h278/20240701/f5c4-e66a6bf7cc9206db4883c78feb5b7cb4.png)
1.Amontree, J., Yan, X., DiMarco, C.S.et al. Reproducible graphene synthesis by oxygen-free chemical vapour deposition. Nature 630, 636–642 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07454-5
排版:朵克斯、刘雅坤
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