储能材料

新方法让天然石墨烯与合成石墨烯的差距缩小

2016-02-20 08:43:48 中国经济网

石墨烯作为一种特殊的二维材料,在工业中的大批量生产非常关键。为实现这个目标,欧盟石墨烯旗舰计划的研究者研发了一种基于化学气相沉积过程的新方法。这种方法可使生产出的材料具有较高的质量与可扩展性,同时也明显缩小了天然石墨烯与合成石墨烯之间的差别。

从透明胶带到化学合成

研究人员使用胶带从大块石墨中剥离出几层石墨烯,这种办法可以吸引公众的想象力,但在生产过程中,它还存在着一些缺陷。机械剥离可以提供最纯净的石墨烯,但在工业领域中,却需要更高的可扩展性和成本效益。

通过化学气相沉积法在铜基底物上合成石墨烯是最常见的办法,用这种方法在质量与数量上可满足电子应用。化学气相沉积法在工业生产上具有可扩展性,但生产出的石墨烯容易被用于去除基底物的化学试剂污染。并且这种技术较复杂且成本昂贵,铜箔与其他材料也不能被再利用,造成浪费。

分子间作用力

来自德国亚琛工业大学及Jülich研究中心的物理学家与日本同行共同研发了一种方法,利用分子间作用力从化学气相沉积的基底物上剥离石墨烯薄片。此过程的核心为石墨烯与六方氮化硼间较强的范德华作用力,这里的氮化硼是封装其中的另一种二维材料,范德华力是中性分子间短程电偶极子作用力。

由于石墨烯与氮化硼间较强的范德华作用力,化学气相沉积法制备的石墨烯可以从铜基底板上分离出,然后转到任意一个基底物上。这个过程可以使催化剂铜箔在进一步的生长周期中再利用,同时降低了石墨烯的污染。

用拉曼光谱与电子输运测量对石墨烯/氮化硼进行分析,与剥离法获得的石墨烯相比,这种方法制备的石墨烯也具有不错的电子迁移率。此外,还发生了一些使研究人员感到惊讶的事情,在第一个与接下来的几个生长周期的设备之间,他们没有检测到明显的性能改变。这表明在石墨烯的制造过程中,铜箔可以被循环利用。

来自亚琛工业大学的Christoph Stampfer说:“化学气相沉积法是一项具有高扩展性与成本效益的技术,迄今为止,用这种方法合成的石墨烯在质量上明显低于使用胶带法获得的石墨烯,尤其涉及到材料的电子性能方面。现在情况不同了,我们研发了一项基于化学气相沉积过程的全新制造方法,它可以超高质量地合成石墨烯样品。这种方法原则上适用于工业范围内的生产,缩小了石墨烯研究与应用之间的距离。”

研究人员展示了这种新方法制备的石墨烯,它在电子性能上可以与具有超高电子迁移率的天然石墨烯相媲美。更重要的是,使用这种方法可以避免化学污染。总的来说,全新的制备方法既保留了天然石墨烯的高电子迁移率,同时使基底物得到了循环利用。

译自:2015年8月【欧盟】欧盟石墨烯旗舰计划

编译:工业和信息化部国际经济技术合作中心 徐媛

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